Photocatalytic hydrogen production over ionic liquid coated semiconductors
İyonik sıvı kaplı yarı iletkenler kullanılarak foto katalitik hidrojen üretimi
- Tez No: 690453
- Danışmanlar: PROF. DR. RAMAZAN YILDIRIM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 288
Özet
Bu tez çalışmasının amacı fotokatalitik hidrojen üretiminde kullanmak üzere boya ile duyarlılaştırılmış ve iyonik sıvı (IL) ile kaplanmış, aktif ve dayanıklı fotokatalizörler üretmek ve onu oluşturan parçaların hidrojen üretim hızına etkilerini incelemektir. Öncelikle, suyun fotokatalitik (PWS) ve fotoelektrokimyasal (PECWS) ayrıştırılması alanında literatürde bulunan deneysel sonuçlardan ve suyun IL içindeki çözünürlüğü ile ilgili ise DFT COSMO-RS kullanılarak oluşturulan üç farklı veri tabanı yapay öğrenme yöntemleri ile analiz edilmiştir. Bunun için birliktelik kuralları analizi (ARM), karar ağacı (DT), rassal orman (RF) ve derin öğrenme (DL) gibi yöntemler kullanılmış, analizler R ve Python ortamında yapılmıştır. PWS analizinde modellerin veriye yüksek uyumu, perovskitler ile yürütülen PWS deney sonuçlarının tahmin edilebilir olduğunu göstermiş, ancak verimi arttırmak için yaygın olarak uygulanan iyon doplama, eş-katalizör veya yapay donör kullanmanın istenildiği kadar etkili olmadığı ortaya konulmuştur. Suyun IL içinde çözünürlüğü DL ile başarılı bir şekilde tahmin edilebilirken, DT ile yapılan sınıflandırma çalışmaları da başarılı olmuştur; bu modeller suyun çözünürlüğü için iyonik sıvıların anyonik kısmına ait özelliklerinin daha belirleyici olduğunu göstermiştir. PECWS'de kullanılan yarı iletkenlerin enerji bant aralıkları yüksek doğruluk payı ile modellenmiş olsa da fotoakım yoğunluk değerleri iyi tahmin edilememiştir. Tezin deneysel kısmında ise, N719 boya ile duyarlılaştırılmış ve iyonik sıvı ([BMIM][BF4]) ile kaplanmış %1 Pt/TiO2'nin foto katalitik hidrojen üretimine sağladığı iyileştirme araştırılmıştır. Üretilen fotokatalizörlerin SEM-EDAX, CTEM, FTIR, XRD, UV-Vis ve elektrokimyasal analizleri yapılmıştır. İyonik sıvının hem fotokatalizör ve reaksiyon ortamı arasında daha iyi yük transferi sağlayarak hem de foton yoluyla üretilmiş e- ve deşiğin yeniden birleşimini engelleyerek verimi arttırdığı gözlemlenmiştir. İyileşme, IL ve N719'un birlikte kullanıldığı durumlarda daha yüksek olmuştur. Aynı deneyler %1 Pt/SrTiO3 katalizörü ile de yapılmış ancak tekrarlanabilir sonuçlar alınamamıştır. Son olarak reaktörün yapısal özellikleri ve çalışma koşullarına ait faktörlerin de (reaktördeki boşluk hacmi, gaz-sıvı ara yüzey alanı, taşıyıcı gaz debisi ve karıştırma hızı) hidrojen üretimi üzerinde etkili oldukları görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The objective of this thesis is to develop active and stable dye sensitized and ionic liquid (IL) encapsulated photocatalysts for hydrogen production, and to investigate the roles of photocatalysts constituents on hydrogen production rate. First, comprehensive experimental datasets for photocatalytic (PWS) and photoelectrochemical (PECWS) water splitting were constructed from literature while a large dataset for water solubility in ILs were created computationally using DFT and COSMO-RS. Then, these datasets were analyzed by machine learning (ML); association rule mining (ARM), decision tree (DT), random forest (RF) and deep learning (DL) were implemented in R and Python environment. In PWS analysis, the clear trends and the high fitness of the models constructed, especially those involved the band gap, indicates that PWS over perovskites is predictable but the sound solutions like ion doping, use of co-catalyst, or use of sacrificial donors did not help as much as desired. The prediction accuracies of DL and classification accuracy of DT models for the water solubility in ILs were also high, and the properties of anionic parts of ILs are more influential for water solubility. The band gap of semiconductors used in PECWS were also predicted successfully even though the prediction accuracy of photocurrent density was not satisfactory. In the experimental part of the thesis, the enhancement of photocatalytic hydrogen production over 1 wt% Pt/TiO2 sensitized by N719 dye and coated by a thin layer of ionic liquid ([BMIM][BF4]) has been investigated; SEM-EDAX, CTEM, FTIR, XRD, and UV-Vis characterization of the photocatalysts, and electrochemical analysis of the respective photoelectrodes were performed. The IL coating increased the performance of 1%Pt/TiO2 by providing better charge transfer between the photocatalyst and the aqueous reaction medium while simultaneously preventing the recombination of photogenerated electron-hole pairs; the improvement was much higher with the use of IL and N719 together. The performance of 1% Pt/SrTiO3 was also tested but the reproducible results could not be obtained. Finally, the factors related to the structure of the reactor and operational conditions (like dead volume, gas-liquid interfacial area, sweep gas flowrate and stirring speed) were also found to be influential over the hydrogen production rate.
Benzer Tezler
- Ni/ZnO nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz tekniğiyle üretimi
Production of Ni/ZnO nanocomposite particles via ultrasonic spray pyrolysis (USP) method
İLAYDA KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Photocatalytic hydrogen production over Au/SrTiO3
Au/SrTiO3 aracılığı ile fotokatalitik hidrojen üretimi
DİLARA SAADETNEJAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. RAMAZAN YILDIRIM
- The valorization of various wastewater for hydrogen production by photocatalytic oxidation
Fotokatalitik oksidasyon yöntemi ile hidrojen üretimi için çeşitli atık suların değerlendirilmesi
CEREN ORAK
Doktora
İngilizce
2021
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLI YÜKSEL ÖZŞEN
- Doping strategy for enhanced photocatalytic hydrogen production on tantalum layered perovskite nanosheets
Tantal katmanlı perovskit nanotabakalarda geliştirilmiş fotokatalitik hidrojen üretimi için katkı stratejisi
TUĞBA YALÇIN
Doktora
İngilizce
2024
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- WSi2N4 ve WSiGeN4 iki boyutlu malzemelerin fotokatalitik hidrojen üretim performansının incelenmesi
Investigation of photocatalytic hydrogen production performance of WSi2N4 and WSiGeN4 two-dimensional materials
FATİH HİMMET
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN SÜRÜCÜ