WSi2N4 ve WSiGeN4 iki boyutlu malzemelerin fotokatalitik hidrojen üretim performansının incelenmesi
Investigation of photocatalytic hydrogen production performance of WSi2N4 and WSiGeN4 two-dimensional materials
Yazar: FATİH HİMMET
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN SÜRÜCÜ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışması, su ayrıştırma yoluyla yeşil hidrojen üretimi için sürdürülebilir ve çevre dostu fotokatalitik malzemelerin araştırılmasını amaçlar; WSi2N4 ve Janus tipi WSiGeN4 gibi tek katmanlı iki boyutlu (2D) yapıların Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) çerçevesinde bir değerlendirmesini sunar. WSi2N4 ve WSiGeN4 malzemelerinin mekanik, dinamik, elektronik ve optik özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiş, fotokatalitik su ayrıştırması uygulamalarında bu malzemelerin vaat edici potansiyeli belirlenmiştir. Makine öğrenimi kuvvet alanları (MLFF) destekli Ab Initio Moleküler Dinamik (AIMD) simülasyonlarıyla 300 K sıcaklığında bu malzemelerin termodinamik kararlılığı teyit edilmiştir.
Kapsamlı optimizasyon ve analizler sonucunda, bu tek katmanların uygun elektronik bant aralıkları, stabil iş fonksiyonları ve geniş pH aralığında dayanıklılık gibi avantajlı özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir. Bu özellikler hidrojen evrim reaksiyonu (HER) için kritik önem taşımaktadır. Fotokatalitik uygulamalarda çeşitli kimyasal yüzeylerde hem HER hem de oksijen evrimi reaksiyonu (OER) gözlemlendiğinden, reaksiyon ortamları ve katalitik süreçlerin optimizasyonu adına, WSi2N4 yapısına Ge atomu katkılanarak WSiGeN4 2D Janus yapısı elde edilmiştir. WSiGeN4'ün dahil edilmesi, fotokatalitik verimliliği belirgin şekilde artırmış hem iletkenlik hem de valans bantlarındaki optimal redoks reaksiyon seviyelerini karşıladığı görülmüştür. Ayrıca, analizler, bu malzemelerin güneş enerjisi ile çalışan fotokatalitik uygulamalar için kritik olan görünür spektrumda yüksek soğurma kapasitesine sahip olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
This thesis aims to investigate sustainable and environmentally friendly photocatalytic materials for green hydrogen production through water splitting; it presents an evaluation of single-layer two-dimensional (2D) structures such as WSi2N4 and Janus-type WSiGeN4 within the framework of Density Functional Theory (DFT). The mechanical, dynamic, electronic, and optical properties of WSi2N4 and WSiGeN4 materials have been thoroughly examined, and their promising potential for photocatalytic water splitting applications has been determined. The thermodynamic stability of these materials at 300 K has been confirmed through machine learning force fields (MLFF) supported Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD) simulations.
Extensive optimization and analyses have shown that these single layers possess advantageous properties such as suitable electronic band gaps, stable work functions, and durability over a wide pH range, which are critically important for the hydrogen evolution reaction (HER). As both HER and the oxygen evolution reaction (OER) have been observed on various chemical surfaces in photocatalytic applications, the WSiGeN4 2D Janus structure has been obtained by doping the WSi2N4 structure with Ge atoms to optimize reaction environments and catalytic processes. The inclusion of WSiGeN4 has significantly enhanced photocatalytic efficiency, meeting the optimal redox reaction levels in both conductivity and valence bands. Additionally, analyses have revealed that these materials possess high absorption capacity in the visible spectrum, which is critical for solar-powered photocatalytic applications.