Hidrojen depolama için li-katkılı kusurlu fullerenlerin deneysel optimizasyonu ve grafen fulleren nanoyapılarının geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, fulleren'in (C60) hidrojen depolama kapasitesini artırmak amacıyla Li doplanmış kusurlu fulleren örnekleri sentezlenmiştir. Kusurlu fulleren (K-C60), yüksek enerjili tungsten karbür havan ve öğütücü kullanılarak mekanik öğütme yöntemiyle üretilmiş; Li doplanmış kusurlu fulleren örnekleri ise hidrotermal yöntemle hazırlanmıştır. FTIR analizleri, saf C60’a ait karakteristik bantların kaybolduğunu, K-C60 ve Li doplanmış örneklerde ise yeni fonksiyonel bantların oluştuğunu göstermiştir. Deneysel sonuçlar, hidrojen depolama kapasitesinin lityum konsantrasyonu, sıcaklık ve doplama süresine bağlı olarak önemli ölçüde değiştiğini ortaya koymuştur. Li-K-C60-01M-200C-12s numunesi, yüksek basınç–düşük sıcaklık koşullarında, geniş özgül yüzey alanı ve yüksek mikropor hacmi ile ilişkili olarak en yüksek hidrojen depolama kapasitesini sergilemiştir. Ayrıca bu tezde, hidrojen depolama uygulamaları için, matris malzemesi olarak grafen ve takviye malzemesi olarak kusurlu fulleren ile Li doplanmış kusurlu fulleren kullanılarak grafen bazlı nanokompozitler hazırlanmıştır. Nanokompozitler, %1, %2,5 ve %5 ağırlık oranlarında hidrotermal yöntemle sentezlenmiş ve BET, FTIR-ATR, XRD, SEM/EDX, AFM, NanoZetaSizer ve TGA analizleri ile karakterize edilmiştir. Adsorpsiyon denge verilerinin Langmuir izoterm modeliyle yüksek uyum (R² > 0,994) gösterdiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, takviye malzemesinin türü ve oranının nanokompozitlerin hidrojen depolama performansı üzerinde belirleyici olduğunu göstermiştir. Özellikle %2,5 oranında Li doplanmış kusurlu fulleren içeren Grafen-Y25-Li-K-C60 numunesi, 77 K ve 30 bar koşullarında %2,61 hidrojen depolama kapasitesi ile en yüksek performansı sergilemiştir. Bu bulgular, Li doplanmış kusurlu fulleren içeren grafen bazlı nanokompozitlerin hidrojen depolama uygulamaları için etkin ve geliştirilebilir aday malzemeler olduğunu ortaya koymaktadır.

In this study, Li-doped defective fullerene samples were synthesized to increase the hydrogen storage capacity of fullerene (C60). Defective fullerene (K-C60) was produced by mechanical grinding using a high-energy tungsten carbide mortar and grinder; Li-doped defective fullerene samples were prepared by hydrothermal method. FTIR analyses showed that the characteristic bands of pure C₆₀ disappeared, while new functional bands formed in K-C₆₀ and Li-doped samples. Experimental results revealed that the hydrogen storage capacity changed significantly depending on lithium concentration, temperature, and doping time. The Li-K-C60-01M-200C-12s sample exhibited the highest hydrogen storage capacity under high pressure–low temperature conditions, associated with its large specific surface area and high micropore volume. Furthermore, in this thesis, graphene-based nanocomposites were prepared for hydrogen storage applications using graphene as the matrix material and Li-doped defective fullerene as the reinforcement material. Nanocomposites were synthesized by hydrothermal method at 1%, 2.5%, and 5% weight percentages and characterized by BET, FTIR-ATR, XRD, SEM/EDX, AFM, NanoZetaSizer, and TGA analyses. It was determined that the adsorption equilibrium data showed a high agreement (R² > 0.994) with the Langmuir isotherm model. The obtained results showed that the type and ratio of the reinforcement material are decisive in the hydrogen storage performance of the nanocomposites. Specifically, the Graphene-Y25-Li-K-C₆₀ sample containing 2.5% Li-doped defective fullerene exhibited the highest performance with a hydrogen storage capacity of 2.61% at 77 K and 30 bar. These findings reveal that graphene-based nanocomposites containing Li-doped defective fullerene are effective and developable candidate materials for hydrogen storage applications.