Geliştirilmiş fotokatalitik su ayrıştırması için penta-grafen sns2 heteroyapıları

Abstract

In this thesis, we have examined the photocatalytic capabilities of penta-graphene (PG), tin dissulfide (SnS2) monolayers, and their van der Waals (vdW) heterostructure (PG/SnS2) through Density Functional Theory (DFT) calculations. The structural, electronic, and optical properties of the individual monolayers were initially analyzed to form reliable heterostructure formation. The PG monolayer has a unique square lattice structure with lattice constants of 3.66 Å. It has a mehanical stability and a wide indirect band gap of 3.40 eV (HSE method), which make sure that the positions of the band edge are suitable for water splitting especially hydrogen and oxygen evolution reactions. But it is limited to the ultra violet (UV) absorption and this makes it less effective for the photocatalytic water splitting. On the other hand, the SnS2 monolayer has a square lattice structure with lattice constant 3.88 Å and a direct band gap of 2.51 eV (HSE method). Also it has a strong visible light absoption but it suffers from fast charge recombination which decreases its overall photocatalytic performance. The PG/SnS2 heterostructure was built and improved to get around these problems. After the individual investigation of the structural, electronic and optical properties of the PG and the SnS2 monolayers, their 4 different heterostructures (A1, A2, A3, A4 stacking configurations) were constructed systematically in order to explore the interfacial effects and functional benefits arising from integration by changing the relative positioning of the SnS2 monolayer on the PG monolayer. A1 was selected for the further investigations because it has the lowest binding energy (-0.03 eV), which shows highest structural stability and smallest d-spacing (3.27 Å) , which is the distance between two layers as well. After determination of the most stable configuration (A1), mechanical stability calculations of the PG/SnS2 heterostructure have been done and elastic constants which are C11, C12, and C66 have been determined. From these elastic constants, the in-plane Young modulus (Y2D ), Shear modulus (G2D), and Poisson ratio (ν) are derived as 314.52 N/m, 169.30 N/m, and -0.07, respectively. These results suggest that the PG/SnS2 heterostructure is mechanically stronger and stiffer than its individual constituents. Ab-initio molecular dynamics (AIMD) simulations confirmed the thermodynamic stability of the heterostructure at 300 K. The PG/SnS2 heterostructure has a moderate band gap of 2.75 eV (HSE method), which makes it good at absorbing visible light. The band edge positions also cross the redox potentials needed for H2 and O2 evolution reactions over a wide pH range (0–6), which makes photocatalytic feasibility more likely. Optical analysis shows that the absorption edge is wider and that the effective optical band gap is 1.43 eV, which confirms that the material can collect a lot of visible light. Charge density difference and Bader charge analyses reveal a Z-scheme charge transfer mechanism, propelled by an internal built-in electric field at the interface, which facilitates the spatial separation of photo-excited carriers. This mechanism not only keeps strong redox potentials but also stops electron–hole recombination, which boosts the overall efficiency of photocatalysis. The VASPSOL implicit solvation model was also used to look at how the aqueous solvent environment affects the PG/SnS₂ heterostructure. The results showed that the structure stays stable and the band gap and the band edge positions line up correctly even when it is in water. These comprehensive results show that PG provides good structural stability and good band edge alignment, while SnS2 provides strong absorption of visible light. When these two materials are combined into a PG/SnS2 heterostructure, they work together to create a structure that has both of these benefits. So, the heterostructure is a very effective and stable photocatalyst for making hydrogen from sunlight. Within this thesis, theoretical investigations of the PG/SnS₂ heterostructure have revealed that this structure is a potential candidate for photocatalytic water splitting, which is crucial for sustainable energy development.Bu tezde, penta-grafen (PG), kalay disülfür (SnS2) monokatmanlarının ve bunların van der Waals (vdW) heteroyapısının (PG/SnS2) fotokatalitik yeteneklerini Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) hesaplamaları yoluyla incelenmiştir. Güvenilir heteroyapı oluşturmak için başlangıçta bireysel monokatmanların yapısal, elektronik ve optik özellikleri analiz edilmiştir. PG monokatmanı, 3.66 Å' lik örgü sabitlerine sahip benzersiz bir kare örgü yapısına sahiptir. Mekanik bir kararlılığa ve 3.40 eV' lik geniş bir dolaylı bant aralığına (HSE yöntemi) sahiptir, bu da bant kenarının konumlarının özellikle hidrojen ve oksijen salınımı reaksiyonları olmak üzere suyun ayrıştırılması için uygun olmasını sağlar. Ancak PG ultraviyole (UV) ışık absorpsiyonuyla sınırlıdır ve bu onu fotokatalitik suyun ayrıştırılması için daha az etkili hale getirir. Öte yandan, SnS2 monokatman, örgü sabiti 3,88 Å ve doğrudan bant aralığı 2,51 eV (HSE yöntemi) olan kare bir örgü yapısına sahiptir. Ayrıca, güçlü bir görünür ışık soğurumuna sahiptir, ancak genel fotokatalitik performansını düşüren hızlı yük rekombinasyonundan muzdariptir. PG/SnS2 heteroyapısı, bu sorunları aşmak için oluşturulmuş ve geliştirilmiştir. PG ve SnS2 monokatmanlarının yapısal, elektronik ve optik özelliklerinin ayrı ayrı incelenmesinin ardından, SnS2 tek tabakasının PG tek tabakası üzerindeki göreceli konumunu değiştirerek entegrasyondan kaynaklanan arayüz etkilerini ve işlevsel faydaları araştırmak amacıyla 4 farklı heteroyapısı (A1, A2, A3, A4 istifleme konfigürasyonları) sistematik olarak oluşturulmuştur. A1, en düşük bağlanma enerjisine (-0,03 eV) sahip olması, en yüksek yapısal kararlılığı ve iki yüzey arasındaki mesafe olan en küçük d-aralığını (3,27 Å) göstermesi nedeniyle ileri araştırmalar için seçilmiştir. En kararlı konfigürasyonun (A1) belirlenmesinden sonra, PG/SnS2 heteroyapısının mekanik kararlılık hesaplamaları yapılmış ve elastik sabitleri olan C11, C12 ve C66 elde edilmiştir. Bu elastik sabitlerden, düzlem içi Young modülü (Y2D), Kayma modülü (G2D) ve Poisson oranı (ν) sırasıyla 314,52 N/m, 169,30 N/m ve -0,07 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar, PG/SnS2 heteroyapısının bireysel bileşenlerinden mekanik olarak daha güçlü ve daha sert olduğunu göstermektedir. Ab-initio moleküler dinamik (AIMD) simülasyonları, heteroyapının 300 K' de termodinamik kararlılığını doğrulamıştır. PG/SnS2 heteroyapısının 2,75 eV' lik (HSE yöntemi) orta düzeyde bir bant aralığı vardır, bu da onu görünür ışığı soğurmada iyi hale getirir. Bant kenarı konumları, geniş bir pH aralığında (0-6) H2 ve O2 salınım reaksiyonları için gerekli redoks potansiyellerini de aşarak fotokatalitik uygulanabilirliği daha olası hale getirmektedir. Optik analiz, soğurum kenarının daha geniş ve etkili optik bant aralığının 1,43 eV olduğunu göstermektedir; bu da malzemenin bol miktarda görünür ışık toplayabildiğini doğrulamaktadır. Yük yoğunluğu farkı ve Bader yük analizleri, arayüzde yerleşik bir elektrik alanı tarafından yönlendirilen ve foto-uyarılmış taşıyıcıların uzamsal ayrılmasını kolaylaştıran bir Z-şeması yük transfer mekanizmasını ortaya koymaktadır. Bu mekanizma yalnızca güçlü redoks potansiyellerini korumakla kalmaz, aynı zamanda elektron-delik rekombinasyonunu da durdurarak fotokatalizin genel verimliliğini artırır. VASPSOL örtük solvasyon modeli, su çözücü ortamının PG/SnS2 heteroyapısını nasıl etkilediğini incelemek için de kullanılmıştır. Sonuçlar, yapının su içinde olsa bile stabil kaldığını ve bant aralığı ve band kenarı konumlarının doğru şekilde hizalandığını göstermiştir. Bu kapsamlı sonuçlar, PG' nin iyi yapısal kararlılık ve iyi bant kenarı hizalaması sağladığını, SnS2' nin ise görünür ışığı güçlü bir şekilde soğurduğunu göstermektedir. Bu iki malzeme bir PG/SnS2 heteroyapısı halinde birleştirildiğinde, her iki faydayı da sağlayan bir yapı oluşturmak üzere birlikte çalışmaktadırlar. Dolayısıyla, heteroyapı güneş ışığından hidrojen üretmek için oldukça etkili ve kararlı bir fotokatalizördür. Bu tez kapsamında, PG/SnS₂ heteroyapısının teorik incelemeleri, bu yapının sürdürülebilir enerji gelişimi için çok önemli olan fotokatalitik su ayrıştırma için potansiyel bir aday olduğunu ortaya koymuştur.