Nanoscience for sustainable energy production

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.