Au, Ag, Cu metalleri yüklenmiş bor-nitrür nanotüp yapılarının etilen oksit adsorpsiyonu ve gaz sensörü için kullanılabilirliğinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile incelenmesi
Au, Ag and Cu doped BNNT for ethylene oxide gas detection: A density functional theory study
Yazar: SELİN DOLMASEVEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET FERDİ FELLAH
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Etilen oksit (EO ve EtO şeklinde kısaltılır, C2H4O formülüne sahiptir.) 1859 yılında keşfedilen renksiz, yanıcı, suda oldukça kolay şekilde çözünen, eter benzeri tatlı bir kokuya sahip zehirli bir gazdır. Özellikle etilen oksit buharına maruz kalan canlılarda kısa süreli cildi, gözleri ve solunum sistemini tahriş eder, alerjik reaksiyonlara sebep olabilir, yanıklar oluşturabilir, bulantı ve kusmaya neden olur ve merkezi sinir sistemine etki eder. Özellikle DNA'ya zarar verme yönü ile insanlarda kalıcı hastalıklara sebebiyet vermesi gibi nedenlerle tespiti oldukça önemlidir. Bor'un amonyak ve azot ile yüksek sıcaklıklarda bor nitrür (BN) oluşturacak şekilde reaksiyona girmesiyle bor-nitrür nanotüpler (BNNT) elde edilir. Yapısal özelliklerinin yanında mekaniksel özellikleride oldukça gelişmiştir. BNNT'ler yarı iletkendir, oksidasyon direnci yüksektir, küçük boyutludurlar, çalışmak için oldukça az güce ihtiyaç duyarlar, yüksek algılama kapasitesileri vardır ve üretimi düşük maliyetli olması gibi birçok sebep gaz sensörü olarak kullanılmasında etkendir. Bu özellikleri 
ile gaz sensörü kullanımı dışında daha farklı kullanım alanlarıda vardır. Bu çalışmada, Au, Ag ve Cu metal atomları yüklenmiş BNNT yapılarının etilen oksit adsorpsiyonu ve gaz sensörü için kullanılabilirliği Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) ile incelenmiştir. DFT hesaplamaları, değişim ve korelasyonun etkilerini hesaba katan WB97XD (dağılım dâhil) hibrit yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Metal atomları, BNNT'nin hem B hem de N atomlarına yüklenmiştir. Etilen oksit adsorpsiyonundan sonra adsorpsiyon enerjilerinin tümü yapılarda negatif değerler olarak hesaplanmıştır. Adsorpsiyon enerjisi ve adsorpsiyon entalpi değerleri sırasıyla -25,2 kcal/mol ve -8,2 kcal/mol değerlerine ulaşmıştır. Adsorpsiyon reaksiyonlarının yapılar üzerinde kendiliğinden oluşabileceğini gözlemlenmiştir. Etilen oksit molekülünden BNNT yapılarına yük aktarımı gerçekleşmiştir. Sonuç olarak Au katkılı BNNT, oda sıcaklığında etilen oksit molekülü için hem 
elektronik sensör hem de iş fonksiyonlu tip gaz sensörü olarak kullanılabilir. RDG analizi sonucu haritada oluşan yeşil renkler dağılım haritalarındaki sıfıra yakın bölgeler Van der Waals etkileşimleri gösterir. Bu bilgi doğrultusunda haritaralar incelendiğinde EO adsorbe edilmiş BNNT yapılarında Van der Waals etkileşimlerinin etkisinden söz edilebilir. Yapılarda genel olarak N atomu yerine yüklenmiş metal atomlu yapıların, B atomu yerine katkılı yapılara göre duyusal özelliklerin çok daha iyi çalıştığı gözlemlenmiştir. Sonuç olarak Au katkılı BNNT, oda sıcaklığında etilen oksit molekülü için hem elektronik hem de iş fonksiyonlu tip gaz sensörü olarak kullanılabilir.

Abstract:
Ethylene oxide (abbreviated as EO and Eto, with the formula C2H4O) is a colorless, 
flammable, water-soluble poisonous gas discovered in 1859 and with an ether-like 
sweet odor. Especially in living creatures exposed to ethylene oxide vapor, it irritates 
the skin, eyes and respiratory system for a short time, can cause allergic reactions, can 
cause burns, causes nausea and vomiting, and acts on the central nervous system. It is 
very important to detect it in the environment for reasons such as damaging the DNA 
and causing permanent diseases in humans. Boron-nitride nanotubes (BNNTs) are 
obtained by reacting with ammonia and nitrogen to form boron nitride (BNNT) at high 
temperatures. In addition to its structural features, its mechanical properties are also 
highly developed. BNNTs are semiconductors, have high oxidation resistance, are 
small in size, require very little power to operate, have high detection capacities, and 
are used as gas sensors for many reasons, such as low cost of production. With these 
features, there are different areas of use other than the use of gas sensors. In this study, 
the usability of BNNT structures loaded with Au, Ag and Cu metal atoms for ethylene oxide adsorption and gas sensor was examined with Density Functional Theory (DFT). DFT calculations were made using the WB97XD (including distribution) hybrid method, which takes into account the effects of change and correlation. Metal atoms are charged to both B and N atoms of BNNT. After ethylene oxide adsorption, all of the adsorption energies were calculated as negative values in the structures. Adsorption energy and adsorption enthalpy values reached -25.2 kcal/mol and -8.2 kcal/mol, respectively. It has been observed that adsorption reactions can occur spontaneously on structures. Charge transfer from ethylene oxide molecule to BNNT structures has occurred.As a result of RDG analysis, the green colors formed on the map show Van der Waals interactions in the regions close to zero in the distribution maps. In line with this information, when the maps are examined, the effect of Van der Waals interactions in EO-adsorbed BNNT structures can be mentioned.In general, it has been observed that structures with metal atoms charged instead of N atoms work much better than structures with doped structures instead of B atoms. After all; The Au-doped BNNT can be used as both an electronic and work-function type gas sensor for ethylene oxide molecule at roomtemperature.