Fullerenlerin ve türevlerinin yoğunluk fonksiyonel teori ile incelenmesi
Investigation of fullerenes and their derivatives with density functional theory
Yazar: İLKNUR KOCATÜRK
Danışman: PROF. DR. ZEKİ BÜYÜKMUMCU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tezde C20 ile C60 arasındaki fullerenler ve bazı türevleri yoğunluk fonksiyonel teori ile Gaussian 09W program paketi kullanılarak incelendi. Çalışmanın ilk aşamasında deneysel verilerle en uyumlu DFT fonksiyoneli araştırıldı ve meta-GGA fonksiyoneli olan TPSSTPSS belirlendi. Daha sonra bu fonksiyonel ve 6-31G(d,p) taban seti kullanılarak küçük fulleren (C20-C36) yapılarının farklı nokta grupları ve çok katlılıklarının fonksiyonu olarak geometri optimizasyonları yapıldı. Ellde edilen optimize yapıların bağ uzunlukları, bağ mertebeleri (MBO, FBO, LBO, IBSI, InTDgp ve WBOL), termodinamik ve elektronik özellikleri, yük dağılımları (Mulliken, APT, ADCH, MK, CM5, HC metotlarıyla) hesaplanarak karşılaştırılmalı olarak yorumlandı. Bağ uzunlukları, bağ mertebeleri, atomlaşma enerjileri ve sıfır nokta enerjileri arasındaki korelasyonlar hesaplanarak yorumlandı. Aynı yapılar için QTAIM yaklaşımı kullanılarak topolojik analiz yapıldı ve kritik noktalar belirlendi. Bu kritik noktalar üzerinde bazı nicelikler hesaplanarak yapılardaki kimyasal bağların özellikleri araştırıldı.
Fullerenlerin gaz fazında moleküller arası zayıf etkileşimlerini araştırmak amacıyla aynı metotla dimerik yapılar da (C20-C60 aralığı için) optimize edilerek incelenmiştir. Bu optimum yapılar üzerinde elektronik özellikler ve etkileşim enerjileri hesaplanarak yorumlanmıştır.
Tezin bir diğer kısmında fulleren ve türevlerinin güneş pili ve benzeri uygulamalarda kullanılmasından yola çıkarak bu yapılara (C20-C60) çeşitli bitişik 2 halkalı (N, P, Se heteroatomu içeren) gruplar eklenerek HOMO-LUMO değişimleri incelendi ve yorumlandı. 
Son olarak fullerenlerin (C20-C60) Li, Na, K, Mg ve Ca elementleri ile dekore edilmiş yapılarının hidrojen depolama kapasiteleri teorik olarak hesaplandı ve hidrojen bağlanma enerjileri üzerinden hidrojen depolama kapasiteleri için optimum olduğu şartlar yorumlandı.

Abstract:
In this thesis, fullerenes between C20 and C60 and some of their derivatives were examined using density functional theory with the Gaussian 09W program package. In the first stage of the study, the DFT functional which has the most agreement with experimental data was investigated and the meta-GGA functional TPSSTPSS was concluded to be appropriate one. Then, the geometry optimizations for small fullerenes (C20-C36) structures as a function of point group and multiplicity were done using this functional and 6-31G(d,p) basis set. The bond lengths, bond orders (MBO, FBO, LBO, IBSI, InTDgp and WBOL), thermodynamic and electronic properties, and charge distributions of the optimized structures were calculated and interpreted comparatively. The correlations among bond lengths, bond orders, atomization energies and zero point energies were calculated and interpreted. Topological analysis employing the QTAIM approach was performed for the same structures and critical points were determined. The properties of chemical bonds in the structures were examined by calculation of some quantities on these critical points.
In order to investigate the weak intermolecular interactions of fullerenes in the gas phase, dimeric structures (for the C20-C60 range) were also optimized and examined with the same method. The electronic properties and interaction energies on these optimum structures were calculated and interpreted.
In other part of the thesis, since fullerenes and their derivatives have applications in solar cells and some other technologies, HOMO-LUMO changes were examined and interpreted with substitution of various fused bicylic groups with N, P, Se heteroatoms to these structures (C20-C60).
Finally, the hydrogen storage capacities of fullerenes (C20-C60) structures decorated with Li, Na, K, Mg and Ca elements were calculated theoretically, and the optimum conditions for hydrogen storage capacities were interpreted based on their hydrogen binding energies.