Modified layered titanates for enhanced photochemical and photoelectrochemical water splitting
Gelişmiş fotokimyasal ve fotoelektrokimyasal su ayrıştırma için modifiye edilmiş katmanlı titanatlar
- Tez No: 836747
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA, DR. ESMAİL DOUSTKHAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Artan küresel enerji talepleri nedeniyle sürdürülebilir yeşil enerji kaynakları arayışı zorunlu hale gelirken, zararsız kaynakların en fazla potansiyel gösterdiği güneş ışığı ve sudan faydalanılıyor. Dikkate değer bir yöntem, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için güneş enerjisinin kullanılmasıdır. Sıfır karbon emisyonuyla gelecek vaat eden bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen olarak dünyanın enerji taleplerini karşılamadaki kritik rolünü vurguluyor. Güneş enerjisiyle çalışan fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal su ayrıştırma, hidrojen ve oksijen üretmek için ilgi çekici bir yöntem sunuyor. Katmanlı titanatlardaki aktif bölgeleri açığa çıkarmak için eksfoliyasyon ve iyon değiştirme yöntemlerinin yanı sıra tek atomların fotoaktif türlerle yüklenmesi gibi modifikasyonlar kullanıldı. Bu çalışmanın ilk kısmı, potasyum lityum katmanlı titanatların (KTLO) eksfoliye edilmesini ve Sn atomlarının yardımcı katalizör görevi görmesi nedeniyle tek atomlu Sn'nin katman yüzeyleri üzerinde foto-birikimini içeriyordu. Eksfoliyasyon, katmanlar arası boşlukların genişlemesini gösteren X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak doğrulanır. Eksfoliye edilmiş titanat, su ve amonyak borandan ayırt edici bir fotokatalitik hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) gösterdi. Yüzeyine Sn tekli atomlarının eklenmesi, fotokatalitik aktiviteyi önemli ölçüde artırır; bu, eksfoliye edilmiş titanatta fotoaktivitenin kabaca üç kat artışına sebep olur. Ayrıca en iyi HER aktivitesi için optimal Sn yüklemesinin gerekli olduğu da gösterilmiştir. Fotolüminesans spektroskopisi (PL) ile gösterilen kapsamlı bir araştırma, ekfsoliye edilmiş titanatın yük taşıyıcıları için daha iyi bir kullanım ömrü gösterdiğini gösterdi. Bu çalışmanın ikinci kısmı, setiltrimetilamonyum bromür (CTAB) ara katmanlı sezyum titanatın (CsTO) fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal aktivitelerine odaklandı. Katmanlar arası aralık, X-ışını kırınımıyla doğrulanan başarılı ara katmanın kanıtı olarak kullanıldı. CsTO'nun katmanlar arası mesafenin genişlemesi, morfolojik değişikliklere ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile karakterize edilen daha geniş bir yüzey alanına neden olur. Muhtemelen CTAB ile işleme, interkalasyon işlemi sırasında bir iyon değiştirme mekanizmasını tetikler, bu da Cs+ iyonlarının yer değiştirmesiyle sonuçlandı ve bu fenomen, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) analiziyle doğrulandı. N-tipi bir malzeme olarak CTAB arakatkılı CsTO numuneleri, fotokatalitik HER için yüzey elektronlarını kullanma konusunda umut verici adaylardır ve fotoelektrokimyasal oksijen evrimi reaksiyonu (OER) için fotojenere delikler kullanılır. Ara katmanlar arasındaki karbon içeriğinin yük taşıyıcı kullanımı üzerinde etkisi vardı ve fotoelektrokimyasal OER için iletken bir katman görevi görüyordu. Fotokatalitik HER bulgularıyla tutarlı olarak, OER için gerçekleştirilen doğrusal tarama voltametrisi (LSV) deneyleri, artan CTAB konsantrasyonlarıyla artan aktiviteye işaret eden benzer bir eğilim ortaya çıkardı. Genel olarak bu çalışma, yenilenebilir enerji kaynakları arayışında HER ve OER için çıkarımlarla birlikte, güneş enerjisiyle etkili su ayrıştırma için değiştirilmiş katmanlı titanat fotokatalizörlerin potansiyelini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
The search for sustainable green energy sources is becoming essential due to the rising global energy demands while making use of sunlight and water as benign resources show the most potential. A notable method is the use of the energy of the sun to split water into hydrogen and oxygen. Highlighting its critical role in meeting the world's energy demands as a promising energy carrier, hydrogen, with its zero carbon emissions. Solar-driven photocatalytic and photoelectrochemical water splitting offer a compelling method to produce hydrogen and oxygen. Exfoliation and ion exchange methods were utilized to expose active sites in layered titanates, along with modifications like loading single atoms with photoactive species. The first part of this study involved exfoliating potassium lithium layered titanates (KTLO) and photo-deposition of single atom Sn onto the layer surfaces, as Sn atoms act as co-catalysts. The exfoliation is confirmed by using X-ray diffraction (XRD), showing the expansion of interlayer spaces. Exfoliated titanate showed a distinguished photocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) from water and ammonia borane. Adding Sn single atoms to its surface significantly increases the photocatalytic activity, causing roughly a threefold increase in exfoliated titanate. It is also demonstrated that the optimal Sn loading is required for the best HER activity. A thorough investigation demonstrated by photoluminescence spectroscopy (PL) showed that exfoliated titanate showed an improved lifetime for charge carriers. The second part of this study focused on the photocatalytic and photoelectrochemical activities of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) intercalated layered cesium titanate (CsTO). Interlayer spacing served as proof of successful intercalation confirmed by the X-ray diffraction. Interlayer space expansion of CsTO results in morphological changes and a larger surface area, characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM). Likely, the treatment with CTAB induced an ion exchange mechanism during the intercalation process, resulting in the removal of Cs+ ions, and this phenomenon was confirmed through X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis. As an n-type material, CTAB intercalated CsTO samples are promising candidates to utilize surface electrons for photocatalytic HER, and photogenerated holes are utilized for photoelectrochemical oxygen evolution reaction (OER). Carbon content between interlayers had an impact on charge carrier utilization and served as a conductive layer for photoelectrochemical OER. Consistent with the photocatalytic HER findings, the linear sweep voltammetry (LSV) experiments conducted for the OER revealed a similar trend, indicating enhanced activity with increased CTAB concentrations. Overall, this study highlights the potential of modified layered titanate photocatalysts for effective water splitting driven by solar energy, with implications for HER and OER in the search for renewable energy sources.
Benzer Tezler
- Modified layered titanates for enhanced photochemical and photoelectrochemical water splitting
Gelişmiş fotokimyasal ve fotoelektrokimyasal su ayrıştırma için modifiye edilmiş katmanlı titanatlar
TUĞÇE ÜSTÜNEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SARP KAYA
DR. ESMAİL DOUSTKHAH
- Synthesis and characterization of nanocomposite resins
Nanokompozit reçine sentezi ve karakterizasyonu
GÖZDE ÖZKARAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
- Stiren-etilen/butilen-stiren blok kopolimeri esaslı nanokompozitlerin hazırlanması ve modifikasyonu
Preparation and modification of nanocomposites based on styrene-ethylene/butylene-styrene block copolymer
TAHSİN ÇAĞLAYAN
Doktora
Türkçe
2019
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLGUN GÜVEN
- Formik asit dehidrojenasyonu için aminle modifiye edilmiş Ni/Al tabakalı çift hidroksit üzerinde desteklenen paladyum nanokatalizörünün sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of palladium nanocatalyst supported on amine-modified nial layered double hydroxide for formic acid dehydrogenation
NURCAN KIZILBULUT
- Numerical analysis of photonic nano structures in layered geometries
Başlık çevirisi yok
AYTAÇ ALPARSLAN
Doktora
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH)DR. CHRISTIAN HAFNER