Development of high-performance nanohybrids based on polyoxometalates and carbon nanotubes for sustainable applications in electrochemical energy storage
Elektrokimyasal enerji depolamada sürdürülebilir uygulamalar için polioksometalatlar ve karbon nanotüplere dayalı yüksek performanslı nanohibritlerin geliştirilmesi
- Tez No: 992976
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHTAP EANES
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Poliokso-metalatlar (POM'lar), hızlı ve tersinir çoklu redoks özellikleri sayesinde yüksek enerji yoğunluklu elektrot malzemeleri olarak dikkat çekmektedir; ancak düşük iletkenlikleri ve elektrolitte çözünme eğilimleri pratik performanslarını sınırlar. Karbon nanotüpler (CNT'ler) ise yüksek iletkenlikleri, mekanik dayanımları ve geniş yüzey alanlarıyla bu sınırlamaları aşmak için etkili bir yol sunar. Bu tez, Bu tez çalışması, elektrokimyasal enerji depolama sistemleri (EESS) için POM/CNT nanohibritlerini inceleyerek, bunların sulu çinko-iyon ve sodyum-iyon pillerindeki uygulamalarına odaklanmaktadır. Keggin tipi bir POM olan K3[PW12O40]·nH2O (KPW12), hidroksil fonksiyonlu tek duvarlı CNT'lere (SWOH) başarıyla bağlanarak sulu çinko-iyon pilleri (AZIB'ler) için katot olarak uygulanmıştır. KPW12/SWOH nanohibriti, 5C akım yoğunluğunda 183 mAh g-1 tersinir kapasite ve 160 çevrim boyunca kararlı bir deşarj platosu ile üstün Zn2+ depolama performansı göstermiştir. Ex-situ XRD, SEM/EDX ve DFT analizleri, Zn2+/H+ eşzorlanma mekanizmasını ortaya koymuştur. Bu gelişmiş performans, süper indirgenmiş KPW₁₂'nin psödokapasitif davranışı ile SWOH'un iletken ve oksijen içeren yapısının sinerjik etkisinden kaynaklanmaktadır. Sodyum-iyon pilleri (SIB'ler) için TBA-PW₁₂ farklı CNT türleriyle birleştirilmiştir. SWCNT nanohibriti 1000 çevrimde 69.4 mAh g-1, MWCNT hibriti ise 27.5 mAh g-1 kapasite sunmuştur. Hidroksil fonksiyonlu CNT'ler kullanıldığında SWOH ve MWOH hibritleri sırasıyla 66.2 ve 57.3 mAh g-1 kapasiteye ulaşmıştır. Bu performans, POM'un çoklu aktif bölgeleri ile CNT ağının hızlı elektron ve Na⁺ taşınımını desteklemesinden kaynaklanmaktadır. Son olarak, sentezlenen Bp-PCuW11/GO hibriti %92 dönüşüm ve %94.8 seçicilikle nişasta hidrolizinde yüksek katalitik performans göstermiştir. Bu sonuçlar, POM/karbon nanohibritlerinin gelecek EESS ve kataliz uygulamaları için güçlü adaylar olduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Polyoxometalates (POMs) are promising high-energy-density electrode materials due to their fast and reversible multi-electron redox behavior, but their poor conductivity and high solubility limit practical performance. Carbon nanotubes (CNTs), with their high conductivity, mechanical stability, and large surface area, offer an effective strategy to overcome these shortcomings. This thesis investigates POM/CNT nanohybrids for electrochemical energy-storage systems (EESS), focusing on their application in aqueous zinc-ion and sodium-ion batteries. A Keggin-type POM, K3[PW12O40]·nH2O (KPW12), was successfully anchored onto hydroxyl-functionalized single-walled CNTs (SWOH) to form a cathode material for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). The KPW12/SWOH nanohybrid delivered outstanding Zn2+ storage performance, achieving a reversible discharge capacity of 183 mAh g–1 at 5C and maintaining a long, stable plateau over 160 cycles. Ex-situ XRD, SEM/EDX, and DFT analysis revealed a Zn2+/H+ co-intercalation mechanism. The enhanced performance arises from the synergistic combination of the pseudocapacitive redox activity of super-reduced KPW12 and the conductive, oxygen-rich SWOH network that improves charge transport and lowers the Zn2+ migration barrier. For sodium-ion batteries (SIBs), TBA-PW₁₂ was combined with different types of CNTs to create anode materials with improved Na-ion storage performance. SWCNT- and MWCNT-based nanohybrids delivered reversible capacities of 69.4 and 27.5 mAh g–1, respectively at 2 A g–1 after 1000 cycles, with hydroxyl-functionalized variants showing further improvements. These performances reflect the combined effect of POM active sites and CNT conductive pathways. Finally, POM/graphene oxide nanohybrids demonstrated strong catalytic activity, with the Bp-PCuW11/GO catalyst achieving superior catalytic performance with 92% starch conversion, 81.9% glucose yields, and excellent selectivity of 94.8%, coupled with over five recyclability runs Overall, these results highlight the versatility and promise of POM/carbon nanohybrids for next-generation EESS and catalytic applications.
Benzer Tezler
- Polimer esaslı membranların hazırlanması ve ayırma özelliklerinin geliştirilmesi
Preparation of polymer-based membranes and development ofseparation properties
SAMAH HYDER ALAWAD DAFALLA
Doktora
Türkçe
2025
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHTAP ŞAFAK BOROĞLU
- Ftalosiyanin-kuantum dot konjugatların eldesi ve elektrokimyasal uygulamaları
Phthalocyanine and heteroatom‐doped carbon quantum dots conjugate: synthesis and electrochemical investigation
BAŞAK GİZEM KARAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZÇEŞMECİ
- عنوان:توسعه و معتبرسازی روش الكتروفورز موئین تلفیق شده با تكنیکهای نوينمیكرو استخراج بر پايهی فناوری نانو به منظور آنالیز برخی از داروهای خوراكیشیمیدرمانی در نمونههای خون بیماران مبتال به سرطانهای دستگاه گوارشی
Development and validation of capillary electrophoresis method coupledwith novel nano-based microextraction techniques for analysis of someorally-administered chemotherapy drugs in blood samples from patients with gastrointestinal cancers
MEHRDAD FOROUGH
- Çözeltiden üfleme tekniği ile yeni tip filtre ve membranların geliştirilmesi
Development of novel filters and membranes by solution blowing technique
YUSUF POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
