Elevating the photocatalytic activity of BiVO4 based photoanodes for solar water splitting
Güneş enerjili su ayrımı için BiVO4 bazlı fotoanotların fotokatalitik aktivitesinin arttırılması
- Tez No: 611248
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SARP KAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 133
Özet
Dünya çapında enerji talebi, zararlı etkileri olmayan, yenilenebilir ve yeşil bir kaynak gerektirir. Yarı iletken malzemeler kullanılarak güneş enerjili su ayrışması sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır. BiVO4'ün fotoelektrokimyasal su ayrışma işlemi için en umut verici metal oksitlerden biri olduğu gösterilmiştir. BiVO4 fotoanodlarının fotoelektrokimyasal performansını arttırmak ve foton dönüşüm verimini ve güneş - hidrojen dönüşüm verimini arttırmak için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Fakat zayıf yük taşıma özellikleri ve düşük katalitik aktivite, bu fotoanotların performansını engellemiştir. Bu tezde, BiVO4 fotoanotları başarıyla sentezlendi ve fotokatalitik performansları çeşitli değişikliklerle dikkat çekici şekilde artırıldı; Hafif bir sıcaklıkta ısıtma işlemi, CoOx ve TiO2 tabakalarının yüzey üzerine işlenmesi ve yüzeyi kobalt ile katkılama. Her bir modifikasyon yöntemi için artırılmış performansın arkasındaki mekanizmalar araştırıldı. 200 °C'de O2 akışı altında yapılan hafif bir ısıl işlem BiVO4'ün su ayırma aktivitesini, yük ayırma ve yük enjeksiyon verimliliğini artırarak ve BiVO4/elektrolit ara-yüzünde yük transferini kolaylaştırarak geliştirmiştir. Tüketim bölgesi genişliği ve bant bükülmesi ısıl işlemden sonra artmış, yük taşıyıcı yoğunluğu değişmeden kalmıştır ve yüzey bölgesinde vanadyum iyonlarının oranı artmaktadır. Kobalt oksit (hidroksit), BiVO4 filmlerine atomik tabaka birikimi ile başarıyla kaplandı. Biriktirme işlemi sırasında çeşitli oksitleyici etkenler kullanarak farklı su oksidasyon aktiviteleri ile BiVO4'te farklı kobalt oksit fazları elde ederiz. Nano gözenekli BiVO4'e kovalent olarak bağlanmış muntazam bir ultra-ince Co(OH)2 tabakasının fotoakım yoğunluğunda çarpıcı bir gelişme gösterdiğini ve potansiyel (gerilim) ihtiyacını düşürdüğünü göstermektedir. Artan aktivite, yük transferini kolaylaştırmaya ve oksidasyon kinetiğini arttırmaya bağlandı. BiVO4'te yük ayrımının daha da arttırılması için, BiVO4'ün Co ile yüzey katkılanması, ultra ince bir CoOx tabakasının biriktirilmesi ve ardından hafif sıcaklıkta tavlama ile yapıldı. XPS ve Raman spektroskopi araştırmaları, kobalt iyonlarının BiVO4'ün yüzeyine dahil edildiğini doğruladı. Kobalt iyonlarının nano gözenekli BiVO4 yüzeyine difüzyonunun iki ayrı mekanizma ile yük ayrılmasını arttırdığı ileri sürüldü: (i) şarj yüklerinin yüzey kusurlarını pasif hale getirerek yüzey rekombinasyonunu ortadan kaldırması ve (ii) yüzey bölgesinde bir pn eklemi oluşması. Bu iki etkinin birleşimi, düşük potansiyelde Co-doped BiVO4 için şarj enjeksiyon verimliliğinde ve fotoakım akım yoğunluğunda önemli bir artışa neden oldu. Bu gelişme CoOx yüklü BiVO4 ile karşılaştırıldığında Co katkılı BiVO4 önemli ölçüde daha büyüktü. Co katkılı katkilama, BiVO4'te yük aktarma kinetiğini kolaylaştırmak yerine, yüzey bölgesinin yakınında şarj rekombinasyonunun derecesini azaltmıştır. Oksijen evrimi katalizörü olan CoOx'a ek olarak, BiVO4 üzerine TiO2 biriktirdik ve BiVO4 fotoanotlarının su oksidasyon aktivitesini başarıyla geliştirdiğini gösterdik. Bu bulgu, BiVO4/elektrolit arayüzündeki arayüzey rekombinasyonunun BiVO4 fotoanotlarının performansının düşmesinde en önemli rolü oynadığını göstermiştir. TiO2'nin BiVO4'te birikmesi bant bükülmesinin arttırılmasıyla birlikte yük transfer direncini düşürdü, bu da arayüzey bölgesinde daha az şarj rekombinasyonu ile sonuçlandı. Genel olarak, bu tezde yapılan değişiklikler BiVO4 fotoanodlarının yüzey bölgesinde şarj rekombinasyonunun fotoelektrokimyasal su oksidasyon performansını bozan son derece önemli bir engel olduğunu ortaya koydu. BiVO4 fotoanotlarının bu önemli dezavantajının zayıf katalitik aktivitesi ile birlikte uygun işlemlerle başarılı bir şekilde üstesinden gelinebileceğini gösterdik.
Özet (Çeviri)
Worldwide increasing demand for energy requires a renewable and green resource without harmful impacts on the climate to replace fossil fuels. Solar water splitting using semiconductor materials is a photoelectrochemical approach for the direct conversion of solar energy into hydrogen, which is a sustainable energy source. BiVO4 is shown to be one of the most promising metal oxides for photoelectrochemical water splitting. Several studies have been done on improving the photoelectrochemical performance of BiVO4 photoanodes and increasing the photon conversion efficiency and solar to hydrogen conversion efficiency. However, its poor charge transport properties and low catalytic activity have hampered the performance of these photoanodes. In this thesis, BiVO4 photoanodes were successfully synthesized and their photocatalytic performance has been enhanced remarkably by various treatments; post-synthetic heating in a mild temperature, surface treatment by deposition of CoOx and TiO2 over-layers, and surface doping with cobalt. The mechanisms behind the enhanced performance for each modification method were investigated. Mild heat treatment under O2 flow at 200°C improved water oxidation activity of BiVO4 by enhancing the charge separation and charge injection efficiencies and facilitating the charge transfer across the BiVO4/electrolyte interface. Depletion region width and the band bending increased after heat treatment, while charge carrier density remained unchanged and the fraction of vanadium ions increases in the surface region. Cobalt oxide (hydroxide) was successfully deposited on BiVO4 films by atomic layer deposition. We obtain different cobalt oxide phases on BiVO4 with dissimilar water oxidation activities by utilizing various oxidizing agents during the deposition process. We demonstrate that a uniform ultrathin Co(OH)2 layer covalently bonded to nanoporous BiVO4 shows dramatic enhancement in the photocurrent density and lowers the kinetic overpotential. The superior activity was attributed to facilitating the charge transfer and boosting oxidation kinetics. In order to further enhance charge separation in BiVO4, surface doping of BiVO4 with Co was done by deposition of an ultrathin layer of CoOx followed by annealing at mild temperature. XPS and Raman spectroscopy investigations confirmed the incorporation of the cobalt ions into the surface of BiVO4. It was proposed that the diffusion of the cobalt ions into the surface of nanoporous BiVO4 enhanced the charge separation by two mechanisms: (i) eliminating the surface recombination of the charge carriers by passivating the surface defects and (ii) creating a p-n junction at the surface region. The combination of these two effects resulted in a significant increase in the charge injection efficiency and photocurrent current density for the Co-doped BiVO4 at low bias. This enhancement was significantly larger for Co-doped BiVO4 as compared to CoOx-loaded BiVO4. Co doping reduced the extent of the charge recombination near the surface region rather than facilitating the charge transfer kinetics in the BiVO4. In addition to CoOx which is an oxygen evolution catalyst, we deposited TiO2 on BiVO4 and demonstrated that it improved the water oxidation activity of BiVO4 photoanodes, successfully. This finding showed that the interfacial recombination at the BiVO4/electrolyte interface plays the most important role in the decreased performance of BiVO4 photoanodes. The deposition of TiO2 on BiVO4 reduced the charge transfer resistance along with increasing the band bending, which resulted in less charge recombination at the interfacial region. Overall, modifications done in this thesis revealed that the charge recombination at the surface region of BiVO4 photoanodes is an extremely important hurdle which deteriorates its photoelectrochemical water oxidation performance. We have shown that this important drawback of BiVO4 photoanodes together with its poor catalytic activity can be successfully overcome by proper treatments.
Benzer Tezler
- Elevating the standards of journalism through the internet: The impact of ?online media watchdogs? and a case study of medyakronik
Başlık çevirisi yok
MEHMET LÜTFİ ARSLAN
- Tip 2 Diabetes Mellitus olan ve olmayan koroner arter hastalarında avrupa kardiyoloji derneği dislipidemi kılavuz hedeflerine ulaşma sıklığının ve etkileyen faktörlerin karşılaştırılması
Comparison of the frequency of attainment and influencing factors of european society of cardiology dyslipidemia guidelines targets in coronary artery patients with and without Type 2 Diabetes Mellitus
FEYZA GEVHER YAŞAR
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Aile HekimliğiSağlık Bilimleri ÜniversitesiAile Hekimliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ DEMİRCİ
PROF. ZUHAL AYDAN SAĞLAM
- Aile hekimliği polikliniğine başvuran hipertansiyon hastalarında depresyon durumu ile yaşam kalitesi arasındaki ilişkinin araştırılması
The relationship between depression and quality of life in hypertension patients admitted to family medicine outpatient clinic
HAFSA İREM YAZICI
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Aile HekimliğiSağlık Bilimleri ÜniversitesiAile Hekimliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLAL ÖZKAYA
- İnşaat projelerinde yapı bilgi modellemesi (BIM) tabanlı risk yönetimi sürecinin incelenmesi
Examination of building information modelling (BIM) based risk management process in construciton projects
EDA GÜZELAY
- Acil serviste mekanik göğüs kompresyon cihazı eşliğinde kardiyopulmoner resüsitasyon uygulanan hastalarda pasif bacak elevasyonu manevrasının prognoza etkisi
The effect of passive leg elevation maneuver on prognosis in patients undergoing cardiopulmonary resuscitation with a mechanical chest compression device in the emergency department
MAHMUT AKGÜN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2023
Acil TıpBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiAcil Tıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAMER ÇOLAK
