Geri Dön

Nanoscience for sustainable energy production

Sürdürülebilir enerji üretimi için nanobilim

PDF İndir

  1. Tez No: 295640
  2. Yazar: CAN ATACA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SALİM ÇIRACI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Science and Technology, Energy, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Enerji depolama sistemi, Gün ışığı, Güneş radyasyonu, Hidrojen depolanması, Yarımetal, Energy storage system, Daylight, Solar radiation, Hydrogen storage, Semimetal
  7. Yıl: 2011
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Bölümü
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Hidrojenin temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak kullanılmasına olanak sağlayan hidrojen ekonomisi üç içeriğe sahiptir. Bunlar: (i) hidrojen üretimi; (ii) hidrojen depolama; ve (iii) yakt hücreleridir. Yakıt hücrelerinin arzu edilen uygulamalara göre optimize edilmesi mühendislik açısından efor gerektiren bir problemdir. Tezimin konusu serbest hidrojen üretimini ve hidrojeni yüksek kapasitede depolanmasını mümkün kılacak nanoyapılar tasarlamak ve bunların fiziksel ve kimyasal mekanizmalarını açıklamaktır. Bu çalışmadaki öngörüler temel prensipler yoğunluk fonksiyoneli kuramı, sonlu sıcaklıkta moleküler dinamik hesapları, fonon hesapları ve geçiş durumu analizleri çerçevesinde elde edilmiştir.Yakın zamanlarda tek-tabakalı metal oksitler ve dikalkojen malzemeler ( MX2; M:Geçiş metali, X:Kalkojen atomu) üzerinde yaplan çalışmalar bunların grafene kıyasla daha üstün özelliklerinin olabileceğini ortaya koymuştur. Tek tabaka MoS2 ve bunun nanoşeritlerinin sentezlenmesi, bu malzeme tabanlı nanotransistörlerin üretimi ve hidrojen evrimi reaksiyonu sürecinde (HER) etkin olan aktif MoS2 kenarların varlığı bu malzemeler üzerindeki ilgiyi arttırmaktadır. Burada üç, iki ve bir boyutlu MoS2'nin elektronik, manyetik, mekanik, elastik ve titreşimsel özellikleri araştırılmaktadır. Direkt-endirekt yasak band aralığı dönünüşümü gibi boyut etkisi, iki boyuttan üç boyuta geçerken fonon modlarnın kayması ve yarı-metalik nanoşeritler vurgulanmıştır. Tek tabakalı MoS2 ve bunların nanoşeritlerinin fonksiyonelleştirilmesi atom boşlukları ve yabancı atomların eklenmesi ile başarılmıştır. 88 tane olası MX2 bileşiğinin 50den fazlasının balpeteği biçimli tek tabakalı yapılarının var olabileceğini ve bunların yeni fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olacakları öngörülmüştür.H2O nun tek tabakalı MoS2 ye ait atom boşlukları civarinda kendini oluşturan O ve H atomlarına kendiliğinden ayrışabileceği gösterilmiştir. Atom boşluklarının olduğu bölgeyi çevreleyen çift bağlı S atomları tarafından absorbe olmuş olan H atomları görünür ışığın fotonları ile etkileşerek bulundukları konumdan ilerleyerek H2 molekülleri oluşturup yüzeyden ayrılırlar. Sadece HER in bir parçası olarak değil ayrıca su moleküllerinden de H2 üretimi için de MoS2nin bir katalizör olabileceği gösterilmiştir. Bunlara ek olarak benzer katalitik özellikleri gösterecek olası diğer MX2 malzemeleri tartışılmaktadır.Yüksek kapasitede hidrojen depolanması amacıyla grafinin yabancı atomlar ile fonksiyonelleştirilmesi de araştırılmıştır. Li-grafin kompleksinin yüksek kapasiteli hidrojen depolama amacı ile kullanlabileceği gösterilmiştir. Herbir Li atomun kendine ait yükün büyük bir kısmını grafene aktararak 4 tane H2 molekülünü zayıf bir bağ ile kendine bağladığı ve gravimetrik olarak 12.8 % oranında depolama kapasitesine sahip olduğu gösterilmiştir. Benzer olarak grafin üzerinde yer alan Ca atomları, grafim ile ilginç bir yük alışverişi gerçekleştirerek, gravimetrik olarak 8.4 % oranında H2 molekülünü depolayabilmektedirler.Sunulan sonuçlar hidrojenden temiz ve sürdürülebilir enerji elde edilmesi açısından kritik öneme sahiptirler.

Özet (Çeviri)

Hydrogen economy towards the utilization of hydrogen as a clean and sustainable energy source has three ingredients. These are (i) hydrogen production; (ii) hydrogen storage; and (iii) fuel cells. Optimization of fuel cells for desired applications is a challenging engineering problem. The subject matter of my thesis is to develop nanostructures and to reveal physical and chemical mechanisms for the production of free hydrogen and its high capacity storage. The predictions of this study are obtained from first-principles density functional theory and finite temperature molecular dynamics calculations, phonon calculations and transition state analyses.Recent studies have revealed that single layer transition metal oxides and dichalcogenides (MX2; M: Transition metal, X: Chalcogen atom) may offer properties, which can be superior to those of graphene. Synthesis of single layer free standing MoS2 and its nanoribbons, fabrication of transistor using this nanostructure, active edges of flakes of MoS2 taking a part in hydrogen evolution reaction (HER) boost the interest in these materials. The electronic, magnetic, mechanical, elastic and vibrational properties of three-, two- and quasi one-dimensional MoS2 are investigated. Dimensionality effects such as indirect to direct band gap transition, shift of phonon modes upon three- to two- dimensional transition, half-metallic nanoribbons are revealed. Functionalization of single layer MoS2 and its nanoribbons are achieved by creating vacancy defects and adatom adsorption. Moreover, out of 88 different combinations of MX2 compounds (transition metal dichalcogenides) it is also predicted that more than 50 single layer, free standing MX2 can be stable in honeycomb like structures and offer novel physical and chemical properties relevant for hydrogen economy.It is predicted that H2O can be split spontaneously into its constituents O and H at specific vacancy defects of single layer MoS2 honeycomb structure. Interacting with the photons of visible light, H atoms adsorbed to two folded S atoms surrounding the vacancy start to migrate and eventually form free H2 molecules, which in turn, are released from the surface. Not only taking a part in HER, but also it is shown that MoS2 as a catalyst can release H2 molecule from water. Also other possible candidates among the manifold of stable MX2 compounds, which are capable of presenting similar catalytic activities are deduced.In an effort to obtain a high capacity hydrogen storage medium, the functionalization of graphene with adatoms is investigated. It is found that Li-graphene complex can serve as a high capacity hydrogen storage medium. A gravimetric storage capacity of 12.8 wt % is attained, whereby each Li atom donates the significant part of its charge to graphene and eventually attracts up to four H2 through a weak interaction. Similarly Ca adatoms can hold H2 molecule on graphene up to 8.4 wt % through an interesting mechanism involving charge exchange among Ca, graphene and H2.Present results are critical for acquiring clean and sustainable energy from hydrogen.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    559967

    Nanosilika katkılı geleneksel betonların mekanik ve elastik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of mechanical and elastic properties of traditional concrete nanosilica

    ESEN ÖNDER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN NURİ ATAHAN

  2. Tez No

    26954

    Pozitif bilimin normatif metodolojisi: İktisadın ve iktisat metodolojisinin yöntem sorunlarına bir çerçeve önerisi

    Başlık çevirisi yok

    ÖMER DEMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    EkonomiAnadolu Üniversitesi

  3. Tez No

    119211

    Supramolecules for constructing nanoscale devices

    Nano-ölçek aygıt yapımı amaçlı supramoleküller

    YAVUZ DEDE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN U. AKKAYA

  4. Tez No

    139263

    Mechanical and electronic properties of metal chain nanowires

    Atomik tellerin elektronik ve mekanik özellikleri

    DENİZ ÇAKIR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. OĞUZ GÜLSEREN

  5. Tez No

    182070

    Design and fabrication of electrostatically actuated nanotweezers by guided self-assembly

    Elektrostatik hareket prensibi ile çalışan nano cımbızların tasarımı ve yönlendirilmiş kendinden birleşme metodu ile üretimi

    ÖZLEM ŞARDAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. ERDEM ALACA

Geri Dön