Date of Award

4-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Physics

Department

Physics

First Advisor

Prof. Nacir Tit

Second Advisor

Prof. Noureddine Amrane

Abstract

The field of Two Dimensional (2D) materials has been extensively studied since their discovery in 2004, owing to their remarkable combination of properties. My thesis focuses on exploring novel 2D materials such as Graphene Nanoribbon (GNR), holey carbon nitride C2N, and MXenes for energy storage, gas sensing, and spintronic applications, utilizing state-of-the-art techniques that combine Density Functional Theory (DFT) and Non-Equilibrium Greens Functions (NEGF) formalism; namely Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) and Atomistic Toolkit (ATK) package.
Firstly, on the side of gas sensing, the burning of fossil fuels raises the level of toxic gas and contributes to global warming, necessitating the development of highly sensitive gas sensors. To start with, the adsorption and gas-sensing properties of bilaterally edge doped (B/N) GNRs were investigated. The transport properties revealed that the bilateral B/N edge-doping of GNR yielded Negative Differential Resistance (NDR) IV-characteristics, due to the electron back-scattering which was beneficial for selective gas sensing applications. Therefore, both GNR: B/N were found to be good sensors for NO2 and SO3 respectively. After that, the catalytic activity of four magnetic transition metal “TM” elements (e.g., Mn, Fe, Co and Ni) embedded in C2N pores, as Single-Atom Catalysts (SAC), was tested towards detecting toxic oxidizing gases. The results of spin-polarized transport properties revealed that Ni- and Fe-embedded C2N are the most efficient in detecting NO/ NO2 and NO2 molecules.
Secondly, on the side of energy storage, since the fossil fuels reserves are depleting at an alarming rate, there is an urgent need for alternative forms of energy to meet the ever-growing demand for energy. Hydrogen is a popular form of clean energy. However, its storage and handling are challenging because of its explosive nature. The effect of magnetic moment on the hydrogen adsorption and gas-sensing properties in Mn-embedded in C2N were investigated. Two distinct configurations of embedment were considered: (i) SAC: 1Mn@C2N; and (ii) DAC: Mn2@C2N. Based on the huge changes in electronic and magnetic properties and the low recovery time (i.e., τ ≪ 1 s, τ = 92 μs and 1.8 ms, respectively), we concluded that C2N:Mn is an excellent candidate for (reusable) hydrogen magnetic gas sensor with high sensitivity and selectivity and rapid recovery time. Then, a comparative study of hydrogen storage capabilities on Metal- catalyst embedded (Ca versus Mn) C2N is presented which demonstrated the stability of these metal structures embedded on the C2N substrate. We proposed Ca@C2N and Mn@C2N for dual applications- hydrogen storage and a novel electrode for prospective metal-ion battery applications owing to its high irreversible uptake capacity 200 mAhg-1.
Thirdly, on the side of data storage, spintronics is an emerging field for the next generation nanoelectronics devices to reduce their power consumption and to increase their memory and processing capabilities. Designing 2D-materials that exhibit half-metallic properties is important in spintronic devices that are used in low-power high-density logic circuits. We tested samples comprising of SAC and DAC of Mn embedded in a C2N sample size 2×2 primitive cells as well as their combinations in neighboring large pores. Many other TM catalysts were screened, and the results show the existence of half metallicity in just five cases: (a) C2N:Mn (DAC, SAC-SAC, and SAC-DAC); (b) C2N:Fe (DAC); and (c) C2N:Ni (SAC-DAC). Our results further showed the origins of half-metallicity to be attributed to both FMC and synergetic interactions between the catalysts with the six mirror images, formed by the periodic-boundary conditions.
Lastly, on the side of batteries, sodium-sulfur batteries show great potential for storing large amounts of energy due to their ability to undergo a double electron- redox process, as well as the plentiful abundance of sodium and sulfur resources. However, the shuttle effect caused by intermediate sodium polysulfides (Na2Sn) limits their performance and lifespan. To address this issue, we proposed two functionalized MXenes Hf3C2T2 and Zr3C2T2 (T= F, O), as cathode additives to suppress the shuttle effect. We found that both Hf3C2T2 and Zr3C2T2 systems inhibit the shuttle effect by binding to Na2Sn with a binding energy higher than the electrolyte solvents. The decomposition barrier for Na2Sn on the O functionalized MXenes gets reduced which enhances the electrochemical process. Overall, our findings show that the tuning of 2D materials can lead to promising applications in various fields, including energy storage, gas sensing, and spintronics.

Arabic Abstract

منذ زمن اكتشاف الغرافين عام 2004 تركزت العديد من الأبحاث على دراسة المواد ثنائية الأبعاد. منذ ذلك العهد، تم تصنيع العديد من الأنواع من السبائك ثنائية الأبعاد و ظهرت العديد من التطبيقات في مجالات متنوعة مثل البيئة، توليد الطاقة، تخزين الطاقة، و تخزين المعلومات. في هذه الأطروحة ركزنا على شرائح الجرافين (GNR) وشرائح وسبائك C2N، وأخيرا شرائح المكسين (MXenes). اعتمدنا في جميع بحوثنا النظرية على برامج محاكاة ذات سمعة عالمية أهمها مثل VASP و ATK في حساب الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والناقلية الكهربائية. في نطاق استشعار الغازات السامة، هناك بابين. في الباب 1، قمنا باستخدام شرائح الجرافين المنضبة بعنصرين النتروجين و البورون على حافتيهما (B/N-edge doped GNR). لقد تم الحصول على المقاومة التفاضلية السلبية (NDR) نتيجة لتراجع التيار الكهربائي جراء وجود الشوائب على الطريق. لقد تم استخدام الظاهرة "NDR" في تحسين استشعار الغازات السامة على سبيل المثال (NO2, SO3). في حين أن الباب 5 ركز على دراسة سبائك C2N المنضبة بعناصر المعادن الممغنطة (Mn, Fe, Co, Ni). لقد أظهرت هذه المنضبات حساسية عالية لاستشعار الغازات المؤكسدة السامة نظرا لوجود سر ويكمن في التغير للعزم المغناطيسي الهائل بعد التصاق الغازات بالمعدن. في نطاق تخزين الطاقة، وخصوصا تخزين غاز الهيدروجين، قمنا باستخدام سبائك C2N المنضبة بذرات معدن ممغنط مثل المغنيزيوم "Mn" والغير ممغنط مثل الكالسيوم "Ca"، حيث تم رفق ذرة واحدة (SAC) أو ذرتين (DAC) داخل جوف الثغرة الكبرى لمادة C2N. كانت النتائج مثيرة حيث تم ربط جزيئات الهيدروجين بذرات المعدن Mn أو Ca وسببت زيادات بنسب ملحوظة في سعة استقطاب غاز الهيدروجين. في نطاق تخزين المعلومات عن طريق الخصائص العزم المغزلي للالكترونات (Spintronics)، لقد قمنا بدراسة سبائك C2N المنضبة بذرة واحدة أو ذرتين من معدن ممغنط "Mn". لقد أظهرت النتائج أن التأثيرات المغناطيسية بين كل من: SAC-SAC أو SAC-DAC أو DAC-DAC قد تؤدي ليس فحسب لت شكيل عزم مغناطيسي بل لتشكيل مواد ذات خاصية نصف ناقلة (Half metal). لقد كانت لهذه الدراسة فائدة كبيرة في فهم ميكانيكية تكوين الخصائص النصف ناقلة من أجل تحقيق تطبيقها في تصنيع أجهزة تخزين المعلومات المعاصرة. في نطاق البطاريات وتخزين الطاقة، خاصة تلك ذات الكفاءة العالية والتي تشتغل في درجات حرارة عادية مثل بطاريات كبريتات الصوديوم، لقد قمنا بدراسة بعض العوائق المعروفة في سبيل تذليلها والتقليل من آثارها السلبية مستقبلاً وبالتالي تمديد عمر البطارية. من ضمن هذه المعوقات نذكر تآكل قطب البطارية المكونة من الكبريت نتيجة تفاعله الكيميائي مع أيونات الصوديوم. لقد قمنا خلال هذه الدراسة باقتراح شرائح المكسين (MXenes) لرفقها بالقطب السالب للبطارية حتى تقوم بحماية القطب من الاضمحلال والتلاشي السريع. هذا الحل يؤدي الى زيادة عمر البطارية وكفاءة عملها. في النهاية كملخص، لقد قمنا باستخدام برامج محاكاة عالية الجودة والكفاءة في دراسة استشعار الغازات السامة، وتخزين الطاقة وتخزين المعلومات. كانت الدراسة مفيدة جدا في توضيح أهم العوامل التي تتحكم في تفادي العوائق لفائدة تحسين الأداء والكفاءة في تشغيل الأجهزة الخاصة بكل تطبيق.

Download

Included in

Physics Commons

Share

COinS