Investigations on the roles of surface states on BiVO4 photoanodes and CuBi2O4 photocathodes for photoelectrochemical water splitting
Fotoelektrokimyasal su bölme için BiVO4 fotoanotları ve CuBi2O4 fotokatotlarında yüzey durumlarının rolleri üzerine araştırmalar
- Tez No: 759741
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
İklim değişikliği, gezegenimiz üzerinde yıkıcı bir etkisi olan endişe verici bir konudur. Özellikle fosil yakıtların kullanımının yaygınlaşmasından kaynaklanan CO2 gazı emisyonları küresel ısınmada büyük rol oynamaktadır. Fosil yakıtları hayatımızdan çıkarmak için sürekli artan enerji talebini karşılamak için alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Hidrojen, kullanım üzerine sıfır karbon emisyonu ve son derece yüksek gravimetrik enerji yoğunluğu nedeniyle en umut verici yeşil enerji taşıyıcılarından biridir. Fotoelektrokimyasal su ayırma, doğrudan su ve güneş ışığından yeşil hidrojen elde etmek için umut verici bir yoldur. Fotoelektrot olarak kullanılan oksit yarı iletkenleri, sulu elektrolitlerde ışık absorpsiyonu ve stabilitesi açısından önemli bir potansiyel sunar, ancak zayıf yüzey aktiviteleri ve etkisiz yük taşıyıcı kullanım özellikleri, yaygın kullanımlarını engellemektedir. Bu zayıf faaliyetlerin kökenini anlamak, fotoelektrotların performansındaki darboğazı ortadan kaldırmak için çok önemlidir. Su oksidasyon reaksiyonu için en umut verici malzemelerden biri olan BiVO4 fotoanotları, aktivitelerini sınırlayan yük taşıyıcıların yoğun yüzey rekombinasyonundan muzdariptir. Bununla birlikte, rekombinasyon dinamikleri karmaşıktır ve yığın ve yüzey bölgelerinde meydana gelen rekombinasyonun ayrıntılı mekanizmaları tipik olarak ele alınmaz. Bu çalışmanın ilk bölümünde, elektrokimyasal depozisyon yöntemi kullanılarak yüksek yüzey alanına sahip BiVO4 fotoanotları sentezlenmiştir. BiVO4 fotoanotunun su oksidasyon aktivitesinin, atomik katman biriktirme (ALD) ile hazırlanan TiO2 üst katmanı tarafından önemli ölçüde artırıldığını gösterdik. Optimize edilmiş bir kalınlığa sahip bir TiO2 üst katmanı ile 1,23 VRHE'deki fotoakım, ön aydınlatma altında 0,64'ten 1,1 mA.cm-2'ye yükselerek %72'lik bir iyileştirmeye karşılık gelir. Bu önemli gelişmeyi, gelişmiş yük ayrımına ve yüzey durumu pasivasyonu nedeniyle yüzey rekombinasyonunun bastırılmasına bağlıyoruz. TiO2 üst katmanının BiVO4 yüzeyinde fotojenere elektron yakalama sürecini önemli ölçüde azalttığına dair geçici fotoakım (GFA) ölçümleri yoluyla doğrudan kanıt sağlıyoruz. Elektron yakalama pasifleştirme, arka aydınlatmadan ziyade ön aydınlatma altında daha yüksek fotoakım geliştirme ile sonuçlanan gelişmiş elektron fotoiletkenliğine yol açar. Elektron yakalama işlemi, daha yüksek TiO2 üst katman kalınlıklarında tamamen ortadan kaldırılsa da, yüzeydeki yük transfer direnci de önemli ölçüde artar, bu da foto akımın azalmasına neden olur. Ultra ince TiO2 üst tabakasının BiVO4'ün yüzey özelliklerine ince ayar yapabiliyor olduğunu gösteriyoruz. CuBi2O4, düşük bant aralığı ve yüksek düz bant potansiyeli nedeniyle suyun indirgenme reaksiyonu için en umut verici fotokatotlardan biridir. Bununla birlikte, BiVO4 ile karşılaştırıldığında, çok daha az çalışılmıştır, bu nedenle yük taşıyıcı dinamiklerinin rolleri henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, elektrokimyasal depozisyon yöntemi ile CuBi2O4 fotokatotları sentezledik. Sentezlenen fotokatot filmler XPS, XRD, FESEM, UV-NIR absorpsiyonu ve Raman spektroskopisi ile karakterize edildi. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve TPC ölçümlerini kullanarak, yüzey durumlarının varlığını ve bu durumlarda fotojenere elektron yakalama sürecini belirledik. Sonuçlar, düz bant potansiyeline yakın yüzey durumlarının, fotoakım 1,4 VRHE kadar erken gözlemlenmesine rağmen, fotoakım başlangıcında 0,9 VRHE -1,0 VRHE'ye gecikmeyle sonuçlanan, fotojenere elektron tuzakları gibi davrandığını göstermektedir. TiO2 üst tabakası, yüzeydeki yük taşıyıcı dinamiklerini ayarlamak ve elektron yakalama sürecini engellemek için farklı kalınlıklarda ALD aracılığıyla CuBi2O4 yüzeyinde büyütüldü. Bununla birlikte, düşük TiO2 üst tabakası kaplaması ile bile, CuBi2O4 aktivitesi önemli ölçüde azaldı. Ayrıca, fotokatodun stabilitesi için zararlı olan önemli fotokorozyon tespit ettik. Bu sonuçlar, arayüzey dinamiklerinin CuBi2O4 foto katot aktivitesi ve stabilitesi için önemli olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, CuBi2O4'ün performansını iyileştirmek için elektron yakalama sürecini pasifleştirmek için yüzey yükü taşıyıcı dinamiklerinin ayarlanması gerekir.
Özet (Çeviri)
Climate change is an alarming issue, which has a devastating impact on our planet. Especially CO2 gas emissions due to the wide-spread utilization of fossil fuels play a major role in global warming. To remove fossil fuels from our lives, alternative energy sources are needed to satisfy the ever-increasing energy demand. Hydrogen is a one of the most promising green energy carriers due to its zero-carbon emission upon utilization, and its extremely high gravimetric energy density. Photoelectrochemical water splitting is a promising route to obtain green hydrogen directly from water and sunlight. Oxide semiconductors utilized as photoelectrodes offer significant potential in terms of light absorption and stability in aqueous electrolytes however their poor surface activities and ineffective charge carrier utilization properties hamper their widespread use. Understanding the origin of these poor activities is crucial to de-bottleneck the performance of photoelectrodes. BiVO4 photoanodes, one of the most promising materials for water oxidation reaction, suffer from overwhelming surface recombination of charge carriers which limit their activity. However, the recombination dynamics are complex and the detailed mechanisms of the recombination taking place in the bulk and the surface regions are typically not addressed. In the first part of this study, BiVO4 photoanodes with high surface area were synthesized using electrodeposition method. We show that the water oxidation activity of BiVO4 photoanode is significantly boosted by the TiO2 overlayer prepared by atomic layer deposition (ALD). With a TiO2 overlayer of an optimized thickness, the photocurrent at 1.23 VRHE increased from 0.64 to 1.1 mA.cm-2 under front illumination, corresponding to 72% enhancement. We attribute this substantial improvement to enhanced charge separation and suppression of surface recombination due to surface state passivation. We provide direct evidence via transient photocurrent (TPC) measurements that TiO2 overlayer significantly decreases the photogenerated electron-trapping process at the BiVO4 surface. Electron-trapping passivation leads to enhanced electron photoconductivity, which results in higher photocurrent enhancement under front illumination, rather than back illumination. Even though the electron trapping process is eliminated completely at higher TiO2 overlayer thicknesses, the charge transfer resistance at the surface also increases significantly, resulting in a diminished photocurrent. We demonstrate that ultrathin TiO2 overlayer can be used to fine-tune the surface properties of BiVO4. CuBi2O4 is one of the most promising photocathodes for HER due to its low band gap and high flat-band potential. However, compared to BiVO4, it is a lot less studied, so the roles of the charge carrier dynamics are not yet fully understood. In the second part of this study, we synthesized CuBi2O4 photocathodes via electrodeposition method. The synthesized photocathode films were characterized by XPS, XRD, FESEM, UV-vis-NIR absorption, and Raman spectroscopy. Using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and TPC measurements, we have identified the presence of surface-states, and photogenerated electron trapping process at these states. The results indicate that surface-states near the flat-band potential act as photogenerated electron traps, which results in a delay in the photocurrent onset to 0.9 VRHE -1.0 VRHE even though photocurrent is observed as early as 1.4 VRHE. The TiO2 overlayer was grown on CuBi2O4 surface via ALD with different thicknesses to tune the charge carrier dynamics at the surface and inhibit the electron trapping process. However, even with low coverage of TiO2 overlayer, CuBi2O4 activity significantly decreased. Furthermore, we have identified significant photocorrosion, which is detrimental for the stability of the photocathode. These results suggest that interfacial dynamics are important for the CuBi2O4 photocathode activity and stability. Thus, the surface charge carrier dynamics need to be tuned by other materials than TiO2 to passivate the electron trapping process to improve the performance of CuBi2O4.
Benzer Tezler
- Time-resolved spectroscopy on the carrier dynamics of BiVO4 photoanodes for solar water oxidation
Başlık çevirisi yok
ABDULLAH KAHRAMAN
Doktora
İngilizce
2020
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SARP KAYA
PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
- The effect of RF plasma treatment on stainless steel surface and polymer electrospraying properties
RF plazma işleminin paslanmaz çeliklerin yüzey özellikleri ve polimer elektropüskürtme işlemi üzerindeki etkisi
TOYGAN SÖNMEZ
Doktora
İngilizce
2016
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Understanding and optimization of InN and high indium containing InGaN alloys by metal organic chemical vapor deposition
Başlık çevirisi yok
ÖCAL TUNA
Doktora
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiRheinisch-Westfälische Technische Hochschule AachenElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MICHAEL HEUKEN
PROF. DR. RAINER WASER
- Buharlaşma ve süblimleşme yoluyla gerçekleşen kütle kayıplarının meteorolojik değişkenlerle olan ilişkisinin araştırılması
Investigation of the relationship between atmospherical variables and mass loss by evaporation and sublimaton
MEHMET AFİF
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KASIM KOÇAK
- Aromatik kirleticilerin fotokatalitik degradasyon reaksiyonlarının hızlandırılması: Katekolün Fe3+ iyonları ile katkılandırılmış TiO2 beraberindeki fotokatalitik degradasyon kinetiğinin incelenmesi
Enhancement of the photocatalytic degradation rate of aromatic pollutants: Investigation of the photocatalytic degradation kinteic of catechol in the presence Fe3+ doped TiO2
ÖZLEM YAZICI