Engineering defects in hexagonal boron nitride to advance electrochemical energy storage in supercapacitor devices
Altıgen bor nitrürdeki kusurların mühendisliği ile süperkapasitör cihazlarında elektrokimyasal enerji depolamanın iyileştirilmesi
- Tez No: 972451
- Danışmanlar: PROF. DR. EMRE ERDEM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Kimya, Science and Technology, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Altıgen bor nitrür (h-BN), geniş bant aralığına sahip iki boyutlu bir malzeme olarak kimyasal kararlılığı ve termal dayanıklılığı sayesinde enerji depolama uygulamaları için son yıllarda ilgi görmektedir. Ancak, h-BN'in doğası gereği düşük elektriksel iletkenliği ve sınırlı yüzey reaktivitesi, süperkapasitör cihazlarındaki elektrokimyasal performansını ciddi şekilde kısıtlamaktadır. Bu tezde, bu sınırlamaların üstesinden gelmek amacıyla, h-BN'in yüksek sıcaklıkta tavlama, yüksek enerjili bilyalı öğütme ve geçiş metali katkılaması (özellikle manganez, Mn) gibi yöntemlerle yapısal ve kimyasal olarak modifiye edilmesine dayalı kapsamlı bir defekt mühendisliği yaklaşımı sunulmuştur.Yapılan sistematik yapısal, optik ve elektronik karakterizasyonlar; X-ışını kırınımı (XRD), Raman, fotolüminesans (PL) ve elektron paramanyetik rezonans (EPR) spektroskopileri ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, kontrollü azot boşluğu (VN) oluşumunun ve karbon sübstitüsyonunun defekt yoğunluğunu artırarak yük taşıma kapasitesinde ve psödokapasitif davranışta belirgin iyileşmeler sağladığını ortaya koymuştur. Mn katkılaması, mekanokimyasal aktivasyon, kimyasal katkılama ve termal tavlama adımlarını içeren çok aşamalı bir sentez yöntemi ile başarıyla gerçekleştirilmiştir. EPR analizleri Mn²⁺ iyonlarının yer değiştirme (substitüsyonel) olarak h-BN kafesine dahil olduğunu doğrulamış, PL spektrumları ise artan Mn içeriğiyle birlikte defekt kaynaklı mavi ışık emisyonlarının belirginleştiğini göstermiştir. Ayrıca, Tauc analizleri bant aralığında daralma olduğunu göstermiş ve bu durumun elektriksel iletkenlikte artışa işaret ettiği belirlenmiştir. Çalışma, Mn katkılı ZnO ve Mn:ZnO–hBN nanokompozitlerinin sentezini de kapsamış ve bu malzemelerin sinerjik etkileşim yoluyla elektrokimyasal özellikleri daha da artırdığı tespit edilmiştir. Simetrik iki elektrotlu süperkapasitör konfigürasyonlarında yapılan elektrokimyasal testler, performansta önemli iyileşmeleri ortaya koymuştur. Özellikle bilyalı öğütmeye tabi tutulan azot açısından zenginleştirilmiş h-BN (NHBNbm) örnekleri, özgül kapasitans değerinde 3 kat artışla yaklaşık 615 F/g seviyesine ulaşmıştır (10 mV/s tarama hızında). 800 °C'de tavlanan Mn katkılı h-BN örnekleri, 1 A/g akım yoğunluğunda ~566 F/g özgül kapasitans ve %92'nin üzerinde döngüsel stabilite (5000 çevrim sonrası) göstermiştir. En iyi genel performans ise Mn:ZnO-hBN nanokompozitlerinde gözlemlenmiş ve bu malzemeler ~795 F/g özgül kapasitans, 110 Wh/kg enerji yoğunluğu ve 41.8 kW/kg güç yoğunluğu değerlerine ulaşmıştır. Bu bulgular, defekt mühendisliği ve kompozit tasarımının h-BN'i yüksek performanslı bir elektrot malzemesi haline getirmedeki kilit rolünü vurgulamakta ve bu malzemenin yeni nesil süperkapasitör teknolojilerinde pratik uygulamaları için umut vadeden bir yol sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Hexagonal boron nitride (h-BN), a wide-bandgap two-dimensional material, has recently garnered attention for energy storage applications due to its chemical inertness and thermal stability. However, its intrinsically low electrical conductivity and limited surface reactivity hinder its electrochemical performance in supercapacitor devices. This thesis explores a comprehensive defect-engineering approach to overcome these limitations by inducing structural and chemical modifications in h-BN through high-temperature annealing, high-energy ball milling, and transition metal doping, specifically with manganese (Mn). Systematic structural, optical, and electronic characterizations were conducted using X-ray diffraction (XRD), Raman, photoluminescence (PL), and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Results revealed that controlled nitrogen vacancy formation and carbon substitution enhanced defect density, leading to significant improvements in charge transport and pseudocapacitive behavior. Mn doping was successfully achieved through a multi-step synthesis involving mechanochemical activation, chemical doping, and thermal annealing. EPR confirmed the substitutional incorporation of Mn²⁺, and PL spectra showed defect-mediated blue emissions with increasing Mn content. Additionally, Tauc analysis revealed bandgap narrowing, indicating improved electronic conductivity. The investigation was extended to Mn-doped ZnO and Mn:ZnO-hBN nanocomposites, revealing a synergistic interaction that further enhanced electrochemical properties. Electrochemical tests conducted in symmetric two-electrode supercapacitor configurations demonstrated substantial performance improvements. Ball-milled nitrogen-deficient h-BN (NHBNbm) showed a 3× enhancement in specific capacitance, reaching ~615 F/g at 10 mV/s. Mn-doped h-BN samples heat-treated at 800 °C delivered the highest stability and specific capacitance of ~566 F/g at 1 A/g, with >92% capacitance retention over 5000 cycles. The Mn:ZnO-hBN nanocomposites exhibited the best overall performance, achieving a maximum specific capacitance of ~795 F/g, energy density of 110 Wh/kg, and power density of 41.8 kW/kg. These findings highlight the critical role of defect engineering and composite design in activating h-BN as a high-performance electrode material, paving the way for its practical implementation in next-generation supercapacitor technologies.
Benzer Tezler
- Polarization dynamics of single-photon emitters in hexagonal boron nitride and their application in quantum key distribution
Altıgen bor nitrür'deki tek foton yayıcıların polarizasyon dinamikleri ve kuantum anahtar dağıtımındaki uygulamaları
ÇAĞLAR SAMANER
Doktora
İngilizce
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ATEŞ
- Computational design and analysis of nanostructured materials for neuromorphic engineering
Neuromorfik mühendislik için nano yapılı malzemelerin hesaplamalı tasarımı ve analizi
AYKUT TURFANDA
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Influence of substrate and environmental conditions on nanoscale patterning of graphene via local anodic oxidation
Alttaşın ve çevresel koşulların lokal anodik oksidasyon aracılığıyla grafen üzerine yapılan nano-desenlemeye etkisi
YAREN SEZEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR ERGEN
- Visible photon emission from defects in hexagonal boron nitride flakes
Hekzagonal bor nitrür pullarındaki kusurlardan görünür foton ışıması
VOLKAN FIRAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ATEŞ
- Optical spectroscopy of single defects in hexagonal boron nitride
Altıgen bor nitrürdeki tek kusurların optik spektroskopisi
AYŞENUR BİRİNCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ATEŞ