Tez No İndirme Tez Künye Durumu
304966
A study of catalytic nanocarbon synthesis by means of quantum mechanical methods / Kuantum mekanik metotlar kullanılarak katalitik nanokarbon sentezi çalışması
Yazar:İLKER TEZSEVİN
Danışman: PROF. DR. IŞIK ÖNAL
Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü
Konu:Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin:
Onaylandı
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
87 s.
Bu tez çalışmasında metal katalizör yüzeyi üzerinde nanokarbon sentezi karbon nanotüp sentezinin ilk aşaması olarak incelenmiştir. Çalışma, seçilen metal katalizör yüzeylerinin performanslarının kıyaslanmasını ve yüzey karbon sentezi için en muhtemel mekanizmanın bulunmasını amaçlamıştır. Seçilen Fe(111), Ni(100) ve Ni(111) yüzeyleri üzerinde karbon kaynağı olarak asetilen kullanılarak nanokarbon oluşumu için kuantum mekanik yöntemlerle çalışılmıştır. Gereken hesaplamalar için yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) periyodik olarak Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) yazılımı kullanılarak uygulanmıştır. İlgilenilen mekanizmaların göreli enerji grafikleri denge geometrisi, CI-NEB ve geçiş hali hesaplarının sonuçları kullanılarak oluşturulmuştur. Karbon kaynağının ayrıştırılmasıyla yüzey karbonu oluşum aşaması karbon nanotüp sentezi için hız belirleyici adımdır. Bu yüzden nanokarbon sentezi çalışmasında elde edilen sonuçlar karbon nanotüp senteziyle ilişkilendirilmiştir. Mekanizma çalışmaları için asetilenin seçilen metal yüzeylere adsorpsiyonuyla yüzey-asetilen kompleksi elde edilmiştir. Sonrasında, dehidrojenasyon aşaması için üç farklı mekanizma çalışılmıştır. Çalışılan bu mekanizmalar direkt hidrojen-hidrojen etkileşimi, hidrojen atomu koparma ve yüzey-hidrojen etkileşimi mekanizmaları olarak isimlendirilmiştir. Bu mekanizmalar arasından yüzey-hidrojen etkileşimi mekanizması tüm yüzeyler için en düşük aktivasyon bariyerlerini vermiştir ve en muhtemel mekanizma olduğu söylenmiştir. Son olarak, mekanizmaların göreli enerji grafikleri Fe(111), Ni(100) ve Ni(111) yüzeyleri için kıyaslanmış ve Fe(111) yüzeyinin performansının karbon nanotüp sentezi için diğerlerinden daha iyi olduğu bulunmuştur.
Throughout this thesis work, surface nanocarbon synthesis on metal catalyst surfaces was investigated as the first step of carbon nanotube production mechanism. Study was aimed to make a comparison between the performances of selected catalyst surfaces and to find most probable mechanism for the nanocarbon synthesis on the metal catalyst surface. Formation of nanocarbon from the acetylene as carbon source on the selected Fe(111), Ni(111) and Ni(100) surfaces were studied by means of quantum mechanics. Density functional theory (DFT) was implemented periodically by using Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) code for the computations required. Relative energy profiles of the interested mechanisms were generated by the usage of equilibrium geometry calculations, climbing image nudged elastic band (CI-NEB) calculations and transition state calculations. Formation step of surface nanocarbon, with the decomposition of the carbon source, is the rate determining step of carbon nanotube production. Therefore, results of the nanocarbon synthesis study were related to carbon nanotube synthesis. For the mechanistic study, surface-acetylene complex was obtained by the adsorption of the acetylene on the chosen catalyst surface. Then three different mechanisms were studied for the dehydrogenation process. These processes were named as direct hydrogen-hydrogen interaction, hydrogen atom desorption and surface-hydrogen interaction methods. Among these methods surface-hydrogen interaction methods resulted in minimum activation barriers for all three surfaces used and said to be the most probable mechanism. Finally, relative energy profiles of the mechanisms were compared for the Fe(111), Ni(100) and Ni(111) surfaces and performance of Fe(111) for CNT synthesis was found better than the others.