Investigation of hydrogen storage capabilities related properties of various nano-materials by using computational chemistry methods
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2019
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Fakültesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
In this thesis, hydrogen storage and related properties of nanostructures such as Boron Nitride (BN), Aluminum Nitride (AlN) and Silicon Carbide (SiC) were investigated by using computational chemistry methods. In the structures of the BN, AlN and SiC nanosheets, there are areas that most interact with the hydrogen molecule. These areas can be defined as safe zones for the hydrogen molecule. According to the safe zones, hydrogen storage properties of nanosheet structures have been determined. According to the calculations, the SiC nanosheet molecule is a better hydrogen storage medium than the other nanosheet. In addition, the best density functional theory (DFT) and the semi-empiric method were determined for the BN and AlN nanocage systems having weak non-covalent interactions according to the CCSD(T) reference method. Among the DFT methods and semi-empiric methods used, the DFT-ωB97X-D and PM6-DH2 methods were the best method for those systems. In addition, the PM6-DH2 method gives good results as well as the DFT-ωB97X-D method and it is more suitable in terms of computing time according to DFT-ωB97X-D method. In addition, for those nanocage structures, it has been investigated whether the hydrogen molecule can be stored as endohedral or exohedral form. According to the calculations, hydrogen cannot be stored in the BN nanocage structure while the hydrogen molecule can be stored in the AlN nanocage structure. The reason of this is that the hydrogen molecule breaks the B-N bond as it passes through the BN nanocage. In other words, the BN nanocage structure can store hydrogen molecule as exohedral form. By the addition of hydrogen molecule, the structure of AlN nanocage is more stable than the structure of BN nanocage. Therefore, the AlN nanocage structure is a better hydrogen storage material than the BN nanocage structure.
Bu tezde, Bor Nitrür (BN), Alüminyum Nitrür(AlN) ve Silisyum Karbür (SiC) gibi nano yapıların (nanokafes, nanolevha, vs.) hidrojen depolama ve ilgili özellikleri hesaplamalı kimya metotları kullanılarak incelenmiştir. BN, AlN ve SiC nanolevha yapılarında hidrojen molekülü ile en fazla etkileşime giren alanlar bulunur. Bu alanlar hidrojen molekülü için güvenli bölgeler olarak tanımlanabilir. Güvenli bölgelere göre, nanolevha yapıların hidrojen depolama özellikleri belirlenmiştir. Yapılan hesaplamalara göre, SiC nanolevha molekülü diğer nanolevha yapılara göre daha iyi bir hidrojen depolama aracıdır. Ayrıca CCSD(T) referans metoda göre kovalent olmayan zayıf etkileşimlere sahip BN ve AlN nanokafes sistemleri için en iyi Yerel Yoğunluk Teorisi (DFT) metodu ve yarı deneysel metodu belirlenmiştir. Kullanılan DFT metotları ve yarı deneysel metotlar arasında, bu tür sistemler için DFT-ωB97X-D ve PM6-DH2 metodları en iyi metot olarak belirlenmiştir. Ayrıca, PM6-DH2 metodu, DFT-ωB97X-D metodu kadar iyi sonuç verir ve hesaplama zamanı açışından ωB97X-D göre çok daha uygundur. Bunun yanında, bu tür nanokafes yapılar için, hidrojen molekülünün içsel mi yoksa dışsal olarak mı depo edilebileceği incelenmiştir. Yapılan hesaplamalara göre, AlN nanokafes yapısının içerisine hidrojen molekülü depo edilebilirken BN nanokafes yapısına edilemez. Bunun sebebi ise hidrojen molekülü BN nanokafesinin içerisinden geçerken B-N bağını kırar. Bir başka ifadeyle, BN nanokafes yapısı hidrojen molekülünü dışsal olarak depo edebilir. Hidrojen molekülü ilavesiyle AlN nanokafes yapısı, BN nanokafes yapısına göre daha kararlıdır. Bu yüzden AlN nanokafes yapısı BN nanokafes yapısına göre daha iyi bir hidrojen depolama materyalidir.
Bu tezde, Bor Nitrür (BN), Alüminyum Nitrür(AlN) ve Silisyum Karbür (SiC) gibi nano yapıların (nanokafes, nanolevha, vs.) hidrojen depolama ve ilgili özellikleri hesaplamalı kimya metotları kullanılarak incelenmiştir. BN, AlN ve SiC nanolevha yapılarında hidrojen molekülü ile en fazla etkileşime giren alanlar bulunur. Bu alanlar hidrojen molekülü için güvenli bölgeler olarak tanımlanabilir. Güvenli bölgelere göre, nanolevha yapıların hidrojen depolama özellikleri belirlenmiştir. Yapılan hesaplamalara göre, SiC nanolevha molekülü diğer nanolevha yapılara göre daha iyi bir hidrojen depolama aracıdır. Ayrıca CCSD(T) referans metoda göre kovalent olmayan zayıf etkileşimlere sahip BN ve AlN nanokafes sistemleri için en iyi Yerel Yoğunluk Teorisi (DFT) metodu ve yarı deneysel metodu belirlenmiştir. Kullanılan DFT metotları ve yarı deneysel metotlar arasında, bu tür sistemler için DFT-ωB97X-D ve PM6-DH2 metodları en iyi metot olarak belirlenmiştir. Ayrıca, PM6-DH2 metodu, DFT-ωB97X-D metodu kadar iyi sonuç verir ve hesaplama zamanı açışından ωB97X-D göre çok daha uygundur. Bunun yanında, bu tür nanokafes yapılar için, hidrojen molekülünün içsel mi yoksa dışsal olarak mı depo edilebileceği incelenmiştir. Yapılan hesaplamalara göre, AlN nanokafes yapısının içerisine hidrojen molekülü depo edilebilirken BN nanokafes yapısına edilemez. Bunun sebebi ise hidrojen molekülü BN nanokafesinin içerisinden geçerken B-N bağını kırar. Bir başka ifadeyle, BN nanokafes yapısı hidrojen molekülünü dışsal olarak depo edebilir. Hidrojen molekülü ilavesiyle AlN nanokafes yapısı, BN nanokafes yapısına göre daha kararlıdır. Bu yüzden AlN nanokafes yapısı BN nanokafes yapısına göre daha iyi bir hidrojen depolama materyalidir.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
BN, AlN and SiC Nanostructures, Hydrogen Storage, Density Functional Theory (DFT), PM6-DH2 Semi Empiric Method, AlN ve SiC Nanoyapılar, Hidrojen Depolama, DFT, PM6-DH2 Yarı Deneysel Metodu
