Ti-doplanmış ve doplanmamış fulleren/grafen nanokompozitlerinin optimizasyonu, karakterizasyonu ve hidrojen depolama özellikleri

Abstract

Bu tez kapsamında fulleren tabanlı hidrojen depolama sistemlerinde kusur mühendisliği, Titanyum (Ti) katkılama ve grafen hibritleşmesinin hidrojen adsorpsiyon performansı üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. İlk aşamada fulleren, kusurlu fulleren ve Ti-doplanmış kusurlu/kusursuz fulleren yapıları sentezlenmiş; Ti katkılama farklı derişim, sıcaklık ve süre koşullarında hidrotermal yöntemle optimize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, Ti katkısının yalnızca yüzey alanı ve gözenek yapısını değiştirmekle kalmayıp karbon kafesinde yapısal yeniden düzenlenmeye neden olduğunu göstermiştir. Maksimum hidrojen depolama kapasitesi 77 K ve 104 bar’da 2,2 wt% olarak belirlenmiştir. İkinci aşamada grafen/Ti-doplanmış fulleren ve grafen/Ti-doplanmış kusurlu fulleren hibrit yapıları hazırlanarak arayüzey organizasyonunun hidrojen depolama davranışına etkisi araştırılmıştır. İzoterm verilerinin Toth ve Dual-Langmuir modelleri ile uyumu, sistemlerde enerji temelli olarak heterojen adsorpsiyon merkezlerinin varlığını ortaya koymuştur. Sonuçlar, hidrojen depolama performansının yalnızca yüksek BET yüzey alanı veya kusur yoğunluğu ile açıklanamayacağını; mikrogözenek hacmi, kusur yapısı, Ti dağılımı ve arayüzey etkileşimlerinin birlikte belirleyici olduğunu göstermiştir. Kinetik analizler adsorpsiyonun yalancı ikinci derece modele uyduğunu ve yalnızca intrapartikül difüzyonla sınırlı olmadığını göstermiştir. Düşük izosterik adsorpsiyon ısısı değerleri hidrojen depolamanın baskın olarak fizisorpsiyon mekanizması ile gerçekleştiğini doğrulamıştır. Optimize edilen grafen-Y2,5-Ti-C60 ve grafen-Y2,5-Ti-K-C60 hibrit yapıları sırasıyla 3.09 wt% ve 2,86 wt% hidrojen depolama kapasitesine ulaşmıştır. Genel olarak, hidrojen depolama performansının kontrollü kusur oluşumu, Ti katkılama ve optimize edilmiş arayüzey mimarisi ile sağlanan yapısal–enerji temelli etkileşim dengesi tarafından belirlendiği ortaya konmuştur.

In this thesis, the effects of defect engineering, titanium (Ti) doping, and graphene hybridization on the hydrogen adsorption performance of fullerene-based hydrogen storage systems were systematically investigated. In the first stage, pristine fullerene, defective fullerene, and Ti-doped defective/pristine fullerene structures were synthesized, and Ti doping was optimized via a hydrothermal method under different concentration, temperature, and time conditions. The obtained results demonstrated that Ti incorporation not only alters the surface area and pore structure but also induces structural rearrangement within the carbon framework. The maximum hydrogen storage capacity was determined to be 2.2 wt% at 77 K and 104 bar. In the second stage, graphene/Ti-doped fullerene and graphene/Ti-doped defective fullerene hybrid structures were prepared, and the effect of interfacial organization on hydrogen storage behavior was investigated. The consistency of isotherm data with the Toth and dualLangmuir models revealed the presence of energetically heterogeneous adsorption sites within the systems. The results indicated that hydrogen storage performance cannot be explained solely by high BET surface area or defect density; instead, micropore volume, defect structure, Ti distribution, and interfacial interactions collectively play a decisive role. Kinetic analyses showed that adsorption follows a pseudo-second-order model and is not limited solely by intraparticle diffusion. The low isosteric heat of adsorption values confirmed that hydrogen storage predominantly occurs via a physisorption mechanism. The optimized graphene-P2.5-Ti-C60 and graphene-P2.5-Ti-D-C60 hybrid structures achieved hydrogen storage capacities of 3.09 wt% and 2.86 wt%, respectively. Overall, it was concluded that hydrogen storage performance is governed by a balance of structural and energy-based interaction factors arising from controlled defect formation, Ti doping, and optimized interfacial architecture.