EXPLORING THE POTENTIAL OF CONDUCTING POLYMER-FUNCTIONALIZED BORON-BASED 2D NANOSHEETS TO DESIGN A NEW GENERATION OF METAL-ION BATTERIES: A FIRST-PRINCIPLES STUDY. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF shehu mohammed (g202214340)eprint.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 21 May 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

الليثيوم (LIBs) هيمنت لفترة طويلة على تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن بسبب أدائها المتفوق. ومع ذلك، هناك مجال واسع لمزيد من الابتكار، خاصة في تطوير مواد الأنود المتقدمة التي تتميز بكونها منخفضة التكلفة، وعالية الطاقة، وخفيفة الوزن. لذا، فإن تصنيع مواد أنودية ذات حواجز انتشار منخفضة وجهد خلية مثالي يعد أمرًا ضروريًا لتحسين كفاءة البطاريات الثانوية. تستخدم هذه الدراسة محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) من المبادئ الأولى لدراسة كيفية تعزيز أداء بطاريات أيونات المعادن من خلال استخدام صفائح نانوية ثنائية الأبعاد من نيتريد البورون (BNNS) مُعالجة ببوليمرات موصلة، بالإضافة إلى أقفاص نانوية من بورون-كربون-نيتروجين (BCN) وبُنى تشبه الفوليرين من B12N12. قمنا بدراسة دور تعديل البولي-بارا-فينيلين (PPPh) في تحسين الخصائص الأنودية لصفائح نيتريد البورون (BN) و(BCN) النانوية، كما فحصنا تأثير مجموعات مانحة للإلكترونات وساحبة لها، مثل الهيدروكسيل، الأمينو، السيانو، الميثيل، الميثوكسي، الكلورو، البرومو، الفلورو، الكربوكسيل، والنيترو على المواد الهجينة الثنائية الأبعاد الوظيفية، لاستخدامها المحتمل في بطاريات أيونات الليثيوم، الصوديوم، البيريليوم، والمغنيسيوم. من ناحية أخرى، تم التحقيق في تأثير البوليمرات الموصلة المختلفة (CPs)، وهي البولي أسيتيلين (PA)، البولي-بارا-فينيلين (PPPh)، البولي بيرول (PP)، والبولي ثيوفين (PT) على الخصائص الإلكترونية والكفاءة الأنودية للقفص النانوي B12N12 الشبيه بالفوليرين، بهدف تصميم بطاريات أيونات الليثيوم والصوديوم. أدى تعديل البوليمرات الموصلة المختلفة إلى تحسينات كبيرة في الاستقرار الهيكلي، الكهربائي، والحراري لصفائح BNNS، BCNNS، والقفص النانوي B12N12. ومن الجدير بالذكر أن اقتران BNNS مع PPPh المستبدل بالنيترو أدى إلى تقليل فجوة الطاقة بين HOMO-LUMO بنسبة 63% وتحسين كبير في جهد الخلية، حيث وصلت القيم المتوقعة إلى 3.66 فولت لبطاريات أيون الليثيوم، 3.18 فولت لبطاريات أيون الصوديوم، 3.14 فولت لبطاريات أيون البيريليوم، و6.89 فولت لبطاريات أيون المغنيسيوم. بالإضافة إلى ذلك، تم تسجيل سعة نوعية نظرية بلغت 244 و217 ملي أمبير/غرام للبطاريات المصممة من نوع LIBs وSIBs على التوالي. وبالمثل، تم ضبط الخصائص الإلكترونية لـ BCNNS من خلال تعديلها ببوليمر PPPh الموصل. كما أدى تأثير المجموعات الساحبة والمانحة للإلكترونات على PPPh-BCNNS إلى تحسين الخصائص الإلكترونية والهيكلية للمادة المركبة. وقد أظهرت BCNNS المعدلة بـ PPPh المستبدل بالبرومو إمكانية واعدة، حيث زادت فجوة الطاقة بنسبة 14% مقارنة بالصفائح النانوية غير المعدلة، مما أدى إلى تحسين جهد الخ لية إلى 2.62 فولت لأيون الليثيوم، 2.59 فولت لأيون الصوديوم، 8.20 فولت لأيون البيريليوم، و6.02 فولت لأيون المغنيسيوم. كما أن تعديل B12N12 بأنواع مختلفة من البوليمرات الموصلة، مثل PA، PPPh، PP، وPT، أدى إلى تحسين ديناميكيات التفاعل داخل الخلية وخصائص نقل الشحنة نتيجة لاستقرار المدارات الجزيئية. ومن الجدير بالذكر أن تقليل فجوات الطاقة المتوقعة بلغ حوالي 90% لـ PA، و42% لـ PPPh، و51% لـ PP، و61% لـ PT. في حين تم توقع جهد الخلية للقفص النانوي B12N12 غير المعدل بـ 0.98 فولت لأيون الليثيوم و1.20 فولت لأيون الصوديوم، أدى التعديل باستخدام البوليمرات الموصلة المختلفة إلى تحسينات ملحوظة في جهود الخلايا (حتى 4.14 فولت لـ Li+ و3.98 فولت لـ Na+). تُبرز هذه الدراسة التأثير الحاسم للكيمياء الوظيفية للمجموعات المستبدلة، وحجم أيونات المعادن، والكثافة الإلكترونية، والخصائص الهيكلية للبوليمر الموصل البيني، وتأثير أيونات المعادن في تحسين كفاءة البطارية. وتقدم نتائجنا إطارًا قائمًا على DFT لتصميم بطاريات أيونات المعادن من الجيل القادم بشكل منهجي، مع التركيز على الاستخدام الاستراتيجي للمواد الوظيفية BNNS، BCNNS، والقفص النانوي B12N12 الشبيه بالفوليرين لتحقيق حلول تخزين طاقة ف

English Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) have long dominated rechargeable energy storage due to their superior performance. Yet, there is ample opportunity for further innovation, particularly in developing cost-effective, high-energy, and lightweight materials for advanced anodes. Thus, fabricating anodic materials with low diffusion barriers and optimal cell voltage is essential for enhancing the efficiency of secondary batteries. This study utilizes first-principles Density Functional Theory (DFT) simulations to investigate how conducting polymer-functionalized two-dimensional boron nitride nanosheets (BNNS), boron carbon nitride nanocage and fullerene-like B12N12 nanocage can enhance the performance of metal-ion batteries. We explored the role of poly-p-phenylene (PPPh) functionalization in improving the anodic properties of boron nitride (BN) and (BCN) nanosheets and further examined the influence of various electron-donating and electron-withdrawing substituents such as hydroxyl, amino, cyano, methyl, methoxy, chloro, bromo floro, carboxyl, and nitro groups on the conducting polymer-functionalized two-dimensional hybrid materials for potential use in lithium, sodium, beryllium, and magnesium-ion batteries. On the other hand, the impact of various conducting polymers (CPs), namely polyacetylene (PA), poly-para-phenylene (PPPh), polypyrrole (PP), and polythiophene (PT) was investigated on the electronic features and anodic efficiency of fullerene-like B12N12 nanocage towards the design of lithium and sodium-ion batteries. The functionalization of the various conducting polymers significantly altered and improved the structural, electrical, and thermal stabilities of the 2D BNNS, BCNNS, and fullerene-like B12N12. Notably, coupling BNNS with nitro-substituted PPPh resulted in a 63% reduction in the HOMO-LUMO energy gap and a significant cell voltage enhancement, with predicted voltages reaching 3.66 V for Li-ion, 3.18 V for Na-ion, 3.14 V for Be-ion, and 6.89 V for Mg-ion batteries. In addition, a theoretical specific capacity of 244 and 217 mAh/g was recorded for the designed LIBs and SIBs respectively. Similarly, the electronic properties of BCNNS were tuned through functionalization with PPPh-conducting polymer. Furthermore, the effects of various EWG and EDG on the PPPh-BCNNS resulted in improved electronics and structural properties of the complex material. The bromo-PPPh functionalized BCNNS shows the most promising potential with an increased in band gap of 14% when compared to the pristine nanosheet. The enhanced properties led to improve in predicted cell voltages of 2.62 V for Li-ion, 2.59 V for Na-ion, 8.20 V for Be-ion, and 6.02 V for Mg-ion batteries. The functionalization of B12N12 with of various conducting polymers (CPs), namely polyacetylene (PA), poly-para-phenylene (PPPh), polypyrrole (PP), and polythiophene (PT) resulted in improved cell reaction kinetics and charge transfer properties as a result of molecular orbitals stabilization. Notably, reduction in the energy gaps of approximately 90% for PA, 42% for PPPh, 51% for PP, and 61% for PT was predicted. While the cell voltage of bare B12N12 nanocage was predicted to be 0.98 V for Li+ and 1.20 V for Na+ ions, the functionalization with various CPs lead to a notable enhancement in cell voltages (up to 4.14 V for Li+ and 3.98 V for Na+ ions). This study highlights the critical influence of functional group chemistry, impact of metal ion size and electronic density, structural characteristics of the interfacing conducting polymer and metal-ion properties in optimizing battery efficiency. Our findings offer a DFT-driven framework for the rational design of next-generation metal-ion batteries, emphasizing the strategic use of functionalized BNNS, BCNNS and fullerene-like B12N12 nanocage for superior energy storage solutions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	A. Al-Saadi, Abdulaziz
Committee Members:	Al-Ahmed, Amir and Abdulazeez, Ismail
Depositing User:	SHEHU MOHAMMED (g202214340)
Date Deposited:	21 May 2025 10:25
Last Modified:	21 May 2025 10:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143415