Fundamental charge transfer and utilization processes of CdS photoanodes for photoelectrochemical hydrogen production from H2O and H2S splitting
H2O ve H2S ayrıştırması ile fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi için CdS fotoanotların temel yük transferi ve kullanım süreçleri
- Tez No: 835261
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Fotoelektrokimyasal (PEC) yeşil hidrojen üretimi, fosil yakıtlara karbon nötr, depolanabilir ve taşınabilir bir alternatif olan yeşil hidrojen üretmek için verimli, kolay ve gelecek vaat eden bir yaklaşım olarak en önemli temiz enerji teknolojilerinden biridir. Hidrojen üretimi için kullanılan farklı reaksiyonlar vardır ve en önemlisi toksik olmayan ve erişilebilir bir kaynak olarak su ayrıştırmasıdır. Bir başka çok önemli, ancak daha az çalışılan reaksiyon, termodinamik olarak H2O'dan daha az zorlu bir reaksiyon olan H2S ayrıştırmasıdır. Ancak deneysel zorluklar ve yüksek toksisite nedeniyle uygulamaları gereken ilgiyi görmemiştir. H2S rafineri endüstrisi için çok kritik bir konudur ve yeşil hidrojen üretimi daha fazla ilgi gördükçe o da daha çok önem kazanacaktır. Zamanla küresel ısınmanın ciddi sonuçları ve ciddi sonuçları ve toplumun artan enerji talebi, fotoelektrot olarak kullanılabilen yarı-iletken malzemeler üzerinde kapsamlı araştırmaları başlattı. Bunların arasında CdS, dar bant aralığı, H2O ve H2S ayrıştırma yarı reaksiyonları için uygun bant-kenar hizalanması ve kolay üretimi nedeniyle güneşten hidrojene enerji dönüşümü için bir fotoanot olarak uygundur. Bununla birlikte yüzey yük rekombinasyonu nedeniyle fotokorozyon ve istikrarsızlıktan müzdariptir. Şimdiye kadar, CdS üzerine yapılan araştırmalar, aktivite kaybının arkasındaki nedenleri anlamaktan çok, üstün niteliklerinden faydalanmak için onu farklı malzemelerle modifiye etmeye odaklanmıştı. Bu tezde fotoanot/elektrolit arayüzündeki temel yük taşıyıcı dinamikleri ve bozulmamış CdS'nin ışık kaynaklı deaktivasyonu için olası yollar, geçici fotoakım (TPC) ölçümleri kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiştir. Hidrojen kaynağı olarak H2O ve H2S kullanılmıştır. H2O ayrıştırması için, yüzeydeki kükürt boşluklarına koordine edilen hekzadesiltrimetilamonyum bromürün (CTAB), yüzeydeki electron yakalamayı pasifleştirerek yük ayrılmasını ve kullanımını kolaylaştırdığını gösterdik. CdS fotoanotlarının yüzey özelliklerinin CTAB ile ayarlanması, yüzeyde pozitif delik birikimini azalttı ve CTAB'in Br− bileşeninin yüzey kükürt boşluklarını doldurduğu ve bir pozitif delik çıkarıcı katman gibi davrandığı bir yüzey pasivasyon mekanizması ile 1 V'de enjeksiyon verimliliğini 0.61'den 0.99'a yükseltti, yüzey yük rekombinasyonunu azalttı ve yüzeyi pasifleştirdi. İkinci olarak, electron yakalamayı bastırmak için kullanılabilecek başka bir hafif yüzey işleme yöntemi sağlamak için CdS yüzeyi üzerinde incre bir TiO2 tabakası biriktirmek için atomik katman biriktirme (ALD) kullanıldı. Ultra ince pasivasyon üst katmanları, PEC aktivitesi üzerindeki olumlu etkileriyle bilinmesine ragmen, CdS üzerindeki TiO2'nin yük yakalamayı pasifleştirmenin verimsiz bir yolu olduğu kanıtlanmıştır. Aslında, özellikle yüksek üst tabaka kalınlığı ile PEC aktivitesi üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. TiO2 üst katman büyümesini izlemek için XPS, raman spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi kullandık ve UV spektroskopisi ve X-ışını kırınımı (XRD) ile optic, kristal yapı ve yüzey özelliklerini Analiz ettik. Farklı TiO2 üst katman kalınlığı ve TPC davranışındaki değişikliği araştırmak için farklı potansiyellerde kronoamperometri (CA) ölçümleri kullanıldı. H2S ayrıştırması için TiO2 ile modifiye edilmiş CdS numunelerini test ettik, CdS'nin H2S beslemeli alkalin alektrolit içindeki geliştirilmiş stabilitesini analiz etmek için XPS ve kronoamperometri (CA) sonuçlarını analiz ettik. CdS'nin istikrarı ve PEC aktivitesi, H2O ayrıştırmasındaki zayıf istikrarı dikkate alındığında, H2S varlığında oldukça umut vericiydi. Yüzey kükürt boşluklarının ve ışıkla indüklenen S2− çözünmesinin deaktivasyon sürecinde önemli bir rol oynadığı CdS için bir electron yakalama mekanizması sağladıktan sonra, H2S ile beslenen elektrolitin CdS fotokorozyonu için bir geri kazanım etkisine sahip olduğu bulundu. Ayrıca TiO2 üst katmanları, bozulmamış CdS'nin fotoakım yoğunluğunu 0.8 VRHE'de %53 arttırarak H2S bölünmesinde ters bir etki göstermiştir. Bu çalışma, yük taşıyıcı dinamiklerinin ayrıntılı ve sistematik bir analizini sağlayarak fotoanot/elektrolit arayüzlerinde yük kullanım süreçlerinin anlaşılmasını geliştirmek için CdS ve diğer yarı iletken fotoelektrotlar üzerine yapılacak daha ileri çalışmalar için önemli bir katkı olabilir.
Özet (Çeviri)
Photoelectrochemical (PEC) green hydrogen production is one of the most important clean energy technologies as an efficient, facile, and promising approach to produce green hydrogen which is a carbon neutral, storable, and transportable alternative to fossil fuels. There are different reactions which are utilized for hydrogen production and the most important one is H2O splitting as a non-toxic and available source. Another very important, yet less studied reaction is H2S splitting which is a thermodynamically less hindered process than H2O. However, its applications remained unconsidered due to experimental difficulties and its high toxicity. H2S is a very critical subject for refinery industry, and it will be even more important as green hydrogen production gains more attention. Over time, serious consequences of global warming and the rising energy demand of the society have initiated extensive research on semiconductor materials that can be utilized as photoelectrodes. Among all, CdS is suitable as a photoanode for solar to hydrogen energy conversion because of its narrow bandgap, suitable band-edge alignment for H2O and H2S splitting half reactions, and facile fabrication. However, it suffers from photocorrosion and instability due to surface charge recombination. Extensive PEC characterization studies showed that improving hole extraction and utilization on the CdS surface is crucial for efficient PEC conversion. So far, the research on CdS was more focused on modifying it with different materials to benefit from its superior qualities rather than understanding the reasons behind activity loss. In this dissertation, the fundamental charge carrier dynamics at photoanode/electrolyte interface and possible pathways for light-induced deactivation of pristine CdS were studied in detail by using transient photocurrent (TPC) measurements. H2O and H2S were used as hydrogen sources. For the H2O splitting, we showed that hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) coordinated to surface sulfur vacancies facilitates the charge separation and utilization by passivating the electron trapping on the surface. Tuning the surface characteristics of the CdS photoanodes with the CTAB diminished the surface hole accumulation and increased the injection efficiency from 0.61 to 0.99 at 1 V by a surface passivation mechanism where Br– of CTAB occupies surface sulfur vacancies and acts like a hole-extracting layer on the CdS surface, passivates the surface charge recombination, and improves efficiency. Secondly, atomic layer deposition (ALD) was used to deposit a thin layer of TiO2 on CdS surface, which can be used to suppress electron trapping. Although ultrathin passivation overlayers are well-known for their positive effect on PEC activity of photoelectrodes, TiO2 on CdS is an inefficient way to passivate charge trapping according to the findings of this study. In fact, it exhibited negative effect on PEC water splitting activity especially with high overlayer thickness. We used X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) to monitor the TiO2 overlayer growth and investigated the surface, optical and crystal structure properties by UV-vis spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) analysis. Chronoamperometry (CA) measurements at different potentials were used to investigate the change in TPC behavior with different TiO2 overlayer thickness. For the H2S splitting, we tested bare and TiO2 modified CdS photoanodes and analyzed the stability and charge transfer processes by using surface sensitive and PEC characterization methods such as the XPS, CA and TPC in H2S feeded alkaline electrolyte. The stability and PEC activity of CdS were rather promising in the presence of H2S considering its poor stability in H2O splitting. After providing an electron trapping mechanism for CdS where surface sulfur vacancies and light-induced S2− dissolution play an important role in the deactivation process, H2S feeded electrolyte was found to have a recovery effect for CdS photocorrosion. Furthermore, TiO2 overlayers showed a reversed effect in H2S splitting by increasing the photocurrent density of bare CdS by 53% at 0.8 V. This work might be an important contribution for further studies on CdS and other photoelectrodes to enhance the understanding of charge utilization processes at photoanode-electrolyte interfaces by providing a detailed and systematic analysis of the charge carrier dynamics.
Benzer Tezler
- Akridin esaslı boyaların ortak duyarlaştırıldığı güneş hücrelerinin fotovoltaik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of photovoltaic properties of solar cells sensitized by acridine-based dyes
MELİHA GİZEM BEKMEZ
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Tersane yerleşimi optimizasyonu ve simülasyonu
Shipyard layout optimization and simulation
SALİM TAMER
Doktora
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BARLAS