Photoelectrocatalytic Water Splitting on Tungsten (VI) Oxide Films Prepared by Supercritical Deposition in a Cold-wall Reactor and by a Hydrothermal Technique
Soğuk-duvar Reaktöründe Süperkritik Deposizyon ve Hidrotermal Yöntemler ile Hazırlanan Tungsten (VI) Oksit Filmler Üzerinde Fotoelektrokatalitik Su Ayrışımı
- Tez No: 520289
- Danışmanlar: PROF. DR. CAN ERKEY, DR. ÖĞR. ÜYESİ SARP KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
ÖZET Enerji talebi arttıkça, sürdürülebilir, temiz ve yenilenebilir yeni enerji kaynakları bulmak önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Sudan üretilen hidrojen, uzun süredir en çok umut vaad eden enerji kaynaklarından biri olarak kabul edilmektedir. Sudan hidrojen üretim teknolojilerinden biri, fotokatalitik yüzeylerde su ve güneş ışığının reaksiyona girdiği fotoelektrokimyasal su ayrıştırmadır. Bu şekilde, hem ışığı absorbe etmek hem de suyun hidrojen ve oksijene ayrılmasını katalize etmek için kullanılan bir fotoelektrot içindeki suyun foto-elektrolizi için fotoelektrokimyasal (PEC) hücre konfigürasyonları geliştirilmiştir. Birçok çalışma bu amaç için fotokatalitik materyallerin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Tungsten (VI) trioksit (WO3), uygun bir bant aralığına ve asidik koşullarda yüksek stabiliteye sahip olduğu için umut verici bir fotoelektrot materyalidir. Bu çalışmada, fotoelektrokimyasal su ayrışımı için bir iletken cam, flor katkılı kalay oksit (FTO) üzerinde WO3 filmlerin üretilmesi için alternatif bir teknik olarak süperkritik deposizyon (SCD) yöntemi geliştirilmiştir. Bu amaçla, filmlerin ısıtılmış substratlar üzerine, substrat sıcaklığından önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda olan süperkritik çözeltilerden deposizyonu için bir soğuk-duvar reaktörü tasarlanmıştır. WO3 filmleri, süperkritik CO2 içinde ağırlıkça % 0.4 tungsten hekzakarbonil (WCO)6) çözeltileri kullanılarak sentezlendi. Ek oksijen (O2) gazı olmaksızın ve çökeltinin farklı adımlarında yapılan O2 ilavesiyle dört tip sentezleme yöntemi incelendi. Her bir yöntem için 8.27 Mpa basınçta CO2 ve 300 ° C de bir ısıtma zemini sıcaklığında sentezler gerçekleştirilmiştir. FTO yüzeyinin kaplanması, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını analizi ile doğrulanmıştır. SEM sonuçları, üretilen filmlerin çok ince (muhtemelen büyük olasılıkla 100 nm'den az) olduğunu gösterdi. Bazı durumlarda, kesitsel görünümden elde edilen SEM analizi, numunelerin bazı kısımlarında tamamlanmamış film büyümesi olduğunu gösterdi. WO3 filmlerinin yapısı, X-ışını kırınım spektrumlarının analiz sonuçlarından, farklı bir tungsten durumu olan, monoklinik WO3 ve bilinmeyen bir tungsten oksit türü fazı olarak belirlenmiştir. Fotoelektrokimyasal karakterizasyon, 1 M sülfürik asit çözeltisi (H2SO4) içinde 1.0 güneş AM 1.5 G'de bir ışık tutucu olarak % 10 hacim metanol ile ve methanolsuz kullanıldıklarında ışık altında döngüsel voltametri yöntemiyle gerçekleştirildi. En iyi foto-akımı, 1 M H2SO4 içinde, deposizyon başlamadan önce oksijen ilave edilerek üretilen filmden 1.23 V'de 0.0225 mA/cm2 olarak elde edildi. Elektrotata delik tutucu eklenmesi ile foto-akım aktivitesinde artış gözlemlendi. Geleneksel yöntemle sentezlenen filmler ile yeni geliştirilmiş süperkritik deposizyon arasında karşılaştırma yapmak için, WO3 filmlerinin hidrotermal sentezi gerçekleştirilmiştir. Filmler, FTO substratında doğrudan büyüme ve WO3 tozunun bir kolloidal çözeltisinin damla dökülmesiyle sentezlenmiştir. Post kalsinasyon ve hidrotermal reaksiyon periyodunun film yapısı ve morfolojisi üzerindeki etkisi araştırıldı. En iyi yöntem 6 saat reaksiyon süresi ve 1 saat 500 ° C'de tavlama olarak belirlenmiştir. En yüksek foto-akımı, damla dökümle üretilen filmden 1 M H2SO4 içinde 0.76 mA/cm2 olarak elde edildi.
Özet (Çeviri)
ABSTRACT Energy demand is growing and there is a vital need to find new energy sources that are sustainable, clean, and renewable. Hydrogen that is produced from water has been considered as one the most promising energy sources for decades. One of the technologies for production of hydrogen from water is photoelectrochemical water splitting where water and sunlight react on photocatalytic surfaces. In this manner, photoelectrochemical cell (PEC) configurations have been developed for the photo-electrolysis of water within a photoelectrode which is used both to absorb the light and also to catalyse the splitting of water into hydrogen and oxygen. Many studies have concentrated on development of photocatalytic materials for this purpose. Tungsten (VI) trioxide (WO3) is a promising photoelectrode material since it has an appropriate band gap and high stability in acidic conditions. In this study, supercritical fluid deposition method (SCD) was developed as an alternative technique to produce WO3 films on a conductive glass, fluorine doped tin oxide (FTO) for photoelectrochemical water splitting. For this purpose, a cold-wall reactor was designed for deposition of the films onto heated substrates from supercritical solutions at substantially lower temperatures than the substrate temperature. WO3 films were deposited using 0.4 wt.% tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) solutions in supercritical CO2. Four types of deposition procedures were investigated with no additional oxygen (O2) gas and with addition of O2 in different steps of the deposition. Depositions were carried out at 8.27 MPa CO2 and a heating stage temperature of 300 °C for each method. Coating of the FTO surface were confirmed via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray analysis. SEM results indicated that the produced films were very thin (most probably less than 100 nm). For some cases, SEM analysis from cross-sectional view showed the incomplete film growth on some parts of the sample. Structure of the WO3 films were determined as mixtures of monoclinic WO3 and an unknown phase of tungsten oxide species with a different state of tungsten from the analysis results of the grazing incidence X-ray diffraction spectra. Photoelectrochemical characterization was performed with cyclic voltammetry method under illumination at 1.0 sun AM 1.5 G in 1 M sulfuric acid solution (H2SO4) with and without using 10 vol.% methanol as a hole scavenger. The best photocurrent was obtained as 0.0225 mA/cm2 at 1.23 V from the film produced with the addition of oxygen before starting the deposition in 1 M H2SO4. Increase in the photocurrent activity was observed with the addition of hole scavenger to the electrolyte. To make comparison between the films deposited by conventional method and new developed supercritical carbon dioxide technique, hydrothermal synthesis of WO3 films were performed. Films were deposited by direct growth on FTO substrate and by drop casting of a colloidal solution of WO3 powder. The effect of the post calcination and hydrothermal reaction period on the film structure and morphology were investigated. The best method was determined as the 6 h reaction time and annealing at 500 °C for 1 h. The highest photocurrent was obtained as 0.76 mA/cm2 in 1 M H2SO4 from the film which was produced by drop casting.
Benzer Tezler
- Molibden katkılı bivo4 katalizörlerinin geliştirilmesi,karakterizasyonu ve fotokatalitik etkinliklerinin incelenmesi
Development and characterization of molibden metal doped bivo4 catalysts and investition of their photocatalytic activities
TUĞBA YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Electrochemical preparation and investigation of photoelectrocatalytic properties of zno films decorated with Cu2O nanocubes
Cu2O nanoküpleri ile donatılmış ZnO filmlerinin elektrokimyasal yöntemle hazırlanması ve fotoelektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
AKO MAHMOOD QADIR QADIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
KimyaBingöl ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM YASİN ERDOĞAN
- Preparation of Ni doped Cu2O materials via electrochemical deposition method and its photoelectrocatalytic application
Elektrokimyasal depozisyon yöntemi ile Ni katkılı Cu2O malzemelerinin hazırlanması ve fotoelektrotokatalitik uygulaması
NASHMEEL HAMAD ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
KimyaBingöl ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM YASİN ERDOĞAN
- Pt katkılı nanotüp yapılı TiO2 elektrotlar ile 5- (hidroksimetil)-2-furaldehitin sulu ortamda seçici Fotoelektrokatalitik yükseltgenmesi
selective photoelectrocatalytic oxidation of 5-(hydroxymethyl)-2-furaldehyde in water by Pt loaded nanotube structure of TiO2 electrodes
PINAR AK
- Nanotüp yapılı TiO2 elektrotlarla ticari öneme sahip bileşiklerin fotoelektrokatalitik sentezi
Photoelectrocatalytic synthesis of commercially valuable molecules by nanotube-structured TiO2 electrodes
SIDIKA ÇETİNKAYA
Doktora
Türkçe
2024
KimyaAfyon Kocatepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT YURDAKAL
PROF. DR. LEVENT ÖZCAN