Metal yüklenmiş karbon nanotüplerin NO sensörü olarak kullanılabilirliğinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi

Abstract

Azot oksit (NO) ve azot dioksit (NO2) birlikte azot oksitler (NOX) olarak adlandırılır. NOx'in büyük oranı azot oksit (NO) halinde olup, daha sonra atmosfer sıcaklığında NO2 kolayca oksitlenebilir. NO renksiz, kokusuz bir gazdır; bitki, insan ve hayvanların solunum sistemine zararlıdır veya canlı vücudundaki oksijeni tüketebilirler. Bu sebepleNO'nun tespiti ve NO konsantrasyonunu en aza indirmek oldukça önemlidir. NO sensörlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Ancak, geleneksel NO sensörlerinin yüksek çalışma sıcaklığı ve düşük algılama gibi birçok kusuru vardır. 1990'lı yılların başındaki keşfedilişlerinin ardından karbon nanotüpler ile ilgili üstün ve benzersiz özellikleri hakkında çok sayıda araştırma bulunmaktadır. Hekzagonal sistemde bazal düzlemlerde C-C bağları oluşturulup (Grafen yapısı), bu bağların yuvarlatılıp silindirik şekil elde edilmesiyle oluşuriz.Düşük yoğunlukları, yüksek mukavemeti, yüksek akım taşıma kapasitesi, yüksek ısı iletimi, yüksek sıcaklık kararlılığı, insan saçından 10.000 kez daha ince yapısı, mekanik olarak sağlamlığı, kovalent bağ ile bağlı yapıları, farklı yarıçaplarda çok katlı olabilen ve çok kararlı yapıları sayesinde pek çok kullanım alanları vardır. Son yıllarda, karbon nanotüp gaz sensörleri olarak, yüksek hassasiyet, hızlı yanıt, küçük boyut ve düşük çalışma sıcaklığı gibi mükemmel algılama yetenekleri sayesinde yoğun ilgi görmüştür.Kullanılan nano malzemeler son yıllarda elektrikli cihazlardaki hassasiyeti yüksek miktarda arttırmış ve tek molekül algılama seviyesine getirebilmiştir. NO adsorpsiyonu (NO sensör çalışması) çeşitli adsorbanlar üzerinde deneysel ya da teorik çalışılmış olmasına rağmen metal yüklenmiş karbon nanotüpler üzerinde çok sınırlı sayıda çalışma yapılmıştır. Bu tezçalışmasının amacıNİ, Pd, Pt yüklenmiş (6,0) tek duvarlı karbon nanotüplerinoda sıcaklığında NO sensörü olarak, dünyada yaygın bir şekilde çalışılmaların yapıldığı kuantum kimyasal metotlardan biri olan DFT (Density Functional Theory - Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi) yardımıyla tespit edilerek incelenmesi ile ülkemizin bilim dünyasına ve literatürüne bir katkı vermesi ve olası deneysel çalışmalara öncülük etmesine olanak sağlayacak araştırmalara yöneliktir.Tez kapsamında yapılan bu kuantum kimyasal hesaplarda WB97XD/6-31G(d,p) metodu kullanılmıştır. Yapı (cluster) modellemesi ile tasarlanan karbon nanotüp yapıları üzerindeki bir karbon atomunun yerine metal yükleme işlemleri yapılmıştır. NO molekülü karbon nanotüp üzerindeki metal atomunun üzerine hem nitrojen hem de oksijen tarafından yerleştirilerek kuantum kimyasal hesaplamalar yapılmıştır.Sistemin tercih edeceği minimum enerjilikonfigürasyon, Ni-TDKNT için O tarafından yakınlaşan NO molekülü, Pd –TDKNT ve Pt-TDKNT yapıları için ise N tarafından yakınlaşan NO molekülüdür. Bu yapılar için enerji değerleri ve yapısal parametreler kuantum kimyasal hesaplar ileNO adsorpsiyonu öncesi ve sonrası olarak hesaplanmış ve bu yapılar için karşılaştırılmıştır. Adsorpsiyon enerji değerleri sırası ile Ni-CNT, Pd-CNT ve Pd-CNT yapılarında sırasıyla -57,0, -82,6, -82,1 kcal/mol olarak hesaplanmıştır.Kimyasal kararlılık hakkında önemli bilgi veren HOMO ve LUMO enerji boşluğu (HLG) sadece Pt katkılı TDKNT yapısında NO adsorpsiyonu sonrası azalmıştır.Sonuç olarak, Pt katkılı (6,0) TDKNT yapısının oda sıcaklığında azot oksit algılama potansiyeli vardır.

Nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) are referred to as nitrogen oxides(NOX).The large proportion of nitrogen oxides exist as nitric oxide but also, NO is easily oxidized to NO2at atmospheric temperature.NO is a colorless, odourless gas; harmful to the respiratory system of plants, humans and animals or it can be consume oxygen in living body. Therefore, it is very important to minimize NO concentration.Some studies had carried out to develop NO sensors. However, conventional NO sensors have many defects such as high operating temperature and low detection. There are many research on carbon nanotubes about their superior and unique characteristics after the discoveries of the early 1990s.C-C bonds (graphenestructure) are formed and these bonds are rounded after that a cylindrical shape are obtained in (basal) plane of hexagonal system.They have low density, high strength, high current carrying capacity, high heat conduction, high temperature stability, 10,000 times thinner structure than human hair, mechanical strength, covalent bonded structures, multi-layer structures with different radius and very stable structures so there are many application areas.In recent years,carbon nanotube has attracted great attention as gas sensors thanks to excellent sensing capabilities such as high sensitive, quick response, low operating temperature and small size.The nano materials used have increased the sensitivity of electrical devices in recent years and they have been able to increase the level of single molecule detection.Although NO adsorption (NO sensor) has been studied on various adsorbents experimentally or theoretical, there are a very few studies on metal doped carbon nanotubes.The aim of the thesis is to produce the carbon nanotubes (6.0) doped with Ni, Pd, Pt metals at room temperature as NO sensor by using DFT (Density Functional Theory), which is one of the quantum chemical methods that widely used in the world to contribute the scientific world and literature of our country and to lead the possible experimental studies.WB97XD/6-31G(d, p) method will be used for quantum chemical calculations in this thesis. Carbon nanotube will be designed with cluster modeling and the selected metal atom was replaced by removing one carbon atom. The NO molecule with both Nitrogen and oxygen sides will be placed on the metal atom of the carbon nanotube. Minimum energy configuration preferred by the system, Oxygen sides configuration is used for Ni-SWCNT. Nitrogen sides configuration is used for Pd-SWCNT and Pt-SWCNT. On these clusters, structural properties and energy values obtained by quantum chemical methods calculations for the initial configuration and after NO adsorption.The results obtained were compared. Adsorption energy values were calculated for Ni-CNT, Pd-CNT and Pd-CNT cluster as -57,0, -82,6, -82,1 kcal / mol, respectively.HOMO and LUMO energy gap, which gives important information about chemical stability, decreased only in Pt doped SWCNT structure after NO adsorption.As a result,Pt doped (6,0) TDKNT has the potential to detect nitrogen oxide at room temperature.