Formation of carbonaceous nanoparticles from methane in non-equilibrium plasma flow reactor
İçten akışlı dengesiz plazma reaktöründe metandan karbonlu nanoparçacık üretimi
- Tez No: 988326
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NECİP BERKER ÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Karbon evrendeki dördüncü en yaygın bulunan elementtir. Grafit, grafen, fulleren ve elmas dahil olmak üzere pek çok formda bulunabilir. Grafit ve elmas kristal yapıda bulunan karbon formlarıdır. Grafit yüksek elektrik ve ısı iletkenliği ve arakatkı kapasitesi nedeniyle batarya üretiminde kullanılır. Elmaslar kesim araçlarında kullanılırken nanoelmaslar ise kuantum bilgi işlemede ve biyogörüntüleme alanında kullanılabilmektedir. Bu parçacıkların termal dengede bulunan ortamlarda sentezi iyi bilinmesine karşın parçacık çekirdeklenmesinin zorluğu ve reaktör duvarlarında hızlı film oluşması gibi sebeplerden dolayı direkt gaz fazından dengesiz içten akmalı plazma reaktörlerinde sentezi henüz iyi oturmamıştır. Bu tezde, üretilen ve duvardan kopan parçacıkları mobilitelerine göre ayıran Stairmand tarzı bir siklon ayırıcı kullanımıyla gaz fazındaki metandan direkt olarak karbonlu nanoparçacık oluşumu çeşitli deneyler ve karakterizasyon yöntemleriyle test edilmiştir. Boyutlarına göre ayrılmış, bir başka deyişle saflaştırılmış parçacıklar XRD, Raman, TGA ve TEM gibi karakterizasyon yöntemleriyle incelenmiştir. Basınç, gaz kompozisyonu, plazma gücü gibi parametrelerin kristal boyutlarına etki ettiği görülmesine karşın en büyük etkiyi parçacıkların reaktörde kalış sürelerinin yaptığı görülmüştür. Artan reaktörde kalma süresi eşyönsüz (anizotropik) parçacık oluşumuna sebep olmuş olup XRD ve Raman ölçümleriyle kristal boyutları hesaplanmıştır. En çok kristalize olmuş parçacık için yatay düzlemdeki kristal boyutu 2.2 nm iken dikey düzlemdeki kristal boyutu 1.43 nm bulunmuştur. Buna karşın, yüksek çözünürlüklü TEM görüntüleri bu parçacıkların 8 nm'ye kadar kristaller içerdiğini göstermiştir. Bunlara ek olarak parçacık morfolojisinin reaktörde kalma süresi ve basınçla nasıl evrimleştiği gösterilmiştir. Bu tarz plazmalarda kristalize olmuş karbonlu parçacık üretmenin Si, metal oksitler ve diğer nanokristallerin üretimine göre çok daha fazla enerjiye ve daha yüksek basınçlara ihtiyaç duyduğu ve uzun reaktörde kalma süreleri gerektirdiği sonuçlarına varılmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar ile, aynı deney düzeneği kullanılarak nanoelmas ve katkılı nanoelmas parçacıkları üretmek için bir altyapı oluşturulmuştur.
Özet (Çeviri)
Carbon is the fourth most abundant element in the universe. It can be found in various forms such as graphene, graphite, fullerene, diamond and more. Graphite and nanodiamonds are the two crystalline structured forms of carbon. Graphite is being used in battery production due to its high thermal and electrical conductivity and intercalation capacity. Bulk diamond is used in cutting tools while nanodiamond is used for bioimaging and quantum computing. Although the synthesis of these materials in a thermally equilibrated medium is well-established, their direct synthesis from gas phase to solid free-standing particles in non-equilibrium flow- through plasmas is not yet fully understood due to difficulties in particle nucleation and rapid film formation at the reactor walls. In this thesis, methane conversion into carbonaceous nanoparticles was tested through a variety of experiments and characterization methods to make a preliminary study for nanodiamond particle formation which was enabled by integration of a Stairmand-type cyclone separator used to eliminate contaminated particles through mobility differences. Size-separated, hence, purified particles were subjected to intensive characterization via XRD, Raman, TGA, and TEM. All operating parameters – pressure, gas composition and plasma power - effected crystalline sizes, however, residence time of particles had the strongest influence. Increased residence time led to formation of highly anisotropic particles whose grain sizes were calculated from XRD and Raman. In-plane crystalline size was 2.2 nm and crystalline size in stacking direction was 1.43 nm for highest graphitized particle. However, HRTEM images showed these particles contained bigger grains sized up 8 nm while depicting an evolutionary pathway for how morphology of particles changed with varying residence time. It was concluded that compared to synthesis of Si, metal oxides and other nanocrystals, crystalized carbonaceous nanoparticle formation in such plasmas is more energy intensive, favoring high pressures and is more dependent on residence time.
Benzer Tezler
- Metal Nanoparçacık Dekore Nanokompozitlerin Isı Aktarımı Etkilerinin İncelenmesi Ve Metanol Oksidasyonu Uygulamaları
Investigation Of Heat Transfer Effects Of Metal Nanoparticle Decorated Nanocomposites And Its Applications In Methanol Oxidation
BÜNYAMİN ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA OĞUZHAN ÇAĞLAYAN
- Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi
Development of three-dimensional graphene/carbon nanotube/silicon nanocomposite anodes for lithium-ion batteries
SELİN DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
- Environmentally friendly components for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında çevre dostu bileşenlerin kullanımı
ELENA STOJANOVSKA
Doktora
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Tiyol-epoksi kimyasıyla poss içerikli hibrit termoset polimerlerin hazırlanması
Preparation of poss-based hybrid networks via thiol-epoxy click chemistry
MUSTAFA ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN
DOÇ. DR. BİNNUR TEMEL
- Lityum iyon batarya uygulamaları için polipirol esaslı anot bağlayıcılar
PPY based anode binder for lithium ion battery application
IŞIK İPEK AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELKIZ USTAMEHMETOĞLU