Yüksek entropili metal oksit katkılı WO3/BiVO4/TiO2 fotoanotların üretimi, karakterizasyonu ve fotoelektrokimyasal su ayrışma performansının incelenmesi
Investigation of the fabrication, characterization, and photoelectrochemical water splitting performance of high-entropy metal oxide-modified WO3/BiVO4/TiO2 photoanodes
- Tez No: 975205
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN KIZILTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Fotoelektrokimyasal yöntemler, Hidrojen üretimi, Hidrotermal, Metal oksitler, Photoelectrochemical methods, Hydrogen production, Hydrothermal, Metal oxides
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Amaç: Artan enerji talebi ve çevre kirliliği, sürdürülebilir ve temiz enerji teknolojilerinin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Fotoelektrokataliz (FEK), güneş ışığını doğrudan kimyasal enerjiye dönüştürmesi, yüksek hidrojen üretim kapasitesi ve çevre dostu yapısıyla öne çıkan yöntemlerden biridir. Ancak TiO2, WO3 ve BiVO4 gibi yaygın kullanılan fotoanotların sınırlı ışık absorpsiyonu ve yüksek elektron–boşluk rekombinasyonu, performanslarını kısıtlamaktadır. Bu nedenle, bu tezde yüksek entropili metal oksit (HEMO) katkısıyla WO3/BiVO4/TiO2 heteroyapı fotoanotlarının geliştirilmesi, yapısal ve optik özelliklerinin incelenmesi ve hidrojen üretim performanslarının artırılması amaçlanmıştır. Yöntem: Çalışmada, HEMO nanoparçacıkları hidrotermal yöntemle sentezlenmiş ve WO3/BiVO4/TiO2 fotoanotlarıyla birleştirilerek kompozit yapılar elde edilmiştir. Sentezlenen fotoanotların morfolojik ve yapısal özellikleri SEM-EDS, XRD ve XPS analizleriyle incelenmiş; optik özellikleri UV-Vis DRS ile değerlendirilmiştir. Optik bant aralıkları Tauc yöntemiyle hesaplanmıştır. Fotoelektrokatalitik performans deneyleri, iki elektrotlu FEK hücre sistemi kullanılarak 1 M KOH elektroliti içinde, 254 nm dalga boyuna ve 44 W/m2 ışık şiddetine sahip UV lamba altında gerçekleştirilmiştir. Hidrojen üretimi ters büret yöntemiyle ölçülmüş ve μmol·h-1 ·cm-2 birimiyle raporlanmıştır. Bulgular: Yapılan analizler, HEMO katkısının WO3/BiVO4/TiO2 heteroyapısının ışık absorpsiyonunu görünür bölgeye kaydırdığını ve bant aralığını daralttığını ortaya koymuştur. Hidrojen üretim deneylerinde, saf WO3/BiVO4/TiO2 fotoanoduna kıyasla HEMO katkılı örnekte belirgin bir artış gözlenmiştir. 60 dakikalık test sonunda WO3/BiVO4/TiO2 fotoanodu UV altında 62 μmol·h-1 ·cm-2, gün ışığı koşullarında ise 42 μmol·h-1 ·cm-2 hidrojen üretirken; HEMO-WO3/BiVO4/TiO2 fotoanodu sırasıyla 96 ve 75 μmol·h-1 ·cm-2 üretim değerlerine ulaşmıştır. Faraday dönüşümü ile hesaplanan akım yoğunlukları UV koşullarında ~5,15 mA·cm-2, gün ışığında ise ~4,02 mA·cm-2 bulunmuş ve bu değerler literatürde rapor edilen WO3/BiVO4 tabanlı sistemlerle uyumlu veya daha yüksek çıkmıştır. Sonuç: HEMO katkılı WO3/BiVO4/TiO2 fotoanodu hem yapısal kararlılık hem de hidrojen üretim performansı açısından gelişmiş sonuçlar ortaya koymuştur. Elde edilen veriler, HEMO katkısının rekombinasyonu baskılama, yük taşıyıcı ayrışmasını kolaylaştırma ve ışık absorpsiyonunu genişletme etkileriyle literatürdeki eğilimlerle uyumlu olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, yüksek entropili oksit katkısının fotoanot mühendisliğinde gelecek vadeden bir strateji olduğunu kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Purpose: The increasing global demand for energy and the growing problem of environmental pollution necessitate the development of sustainable and clean energy technologies. Photoelectrocatalysis (PEC) has emerged as one of the most promising methods due to its ability to directly convert solar energy into chemical energy, its high hydrogen production capacity, and environmentally friendly nature. However, commonly used photoanodes such as TiO2, WO3, and BiVO4 suffer from limited light absorption and high electron–hole recombination rates, which restrict their overall performance. Therefore, this thesis aims to enhance the structural and optical properties and improve the hydrogen production performance of WO3/BiVO4/TiO2 heterostructure photoanodes by incorporating high-entropy metal oxides (HEMO). Method: In this study, HEMO nanoparticles were synthesized via a hydrothermal method and subsequently integrated with WO3/BiVO4/TiO2 photoanodes to form composite structures. The morphological and structural properties of the synthesized photoanodes were characterized by SEM-EDS, XRD, and XPS analyses, while their optical properties were examined using UV- Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS). Optical band gaps were calculated using the Tauc method. Photoelectrocatalytic performance tests were conducted in a two-electrode FEK cell system with 1 M KOH electrolyte under illumination from a UV lamp operating at 254 nm and an intensity of 44 W/m2. Hydrogen production was measured using the inverted burette method and reported in micromoles per hour per square centimeter. Findings: The analyses revealed that HEMO incorporation shifted the light absorption of the WO3/BiVO4/TiO2 heterostructure into the visible region, resulting in a narrowing of the band gap. In hydrogen production experiments, the HEMO-modified photoanode showed a significant improvement compared to the bare WO3/BiVO4/TiO2 electrode. After 60 minutes of testing, the WO3/BiVO4/TiO2 electrode achieved hydrogen evolution rates of 62 μmol·h-1 ·cm-2 under UV irradiation and 42 μmol·h-1 ·cm-2 under daylight conditions. In contrast, the HEMO- WO3/BiVO4/TiO2 electrode reached 96 and 75 μmol·h-1 ·cm-2 respectively. Faradaic conversion indicated that these hydrogen production rates corresponded to photocurrent densities of approximately 5.15 mA·cm-2 under UV light and 4.02 mA·cm-2 under daylight, which are consistent with or exceed values reported for WO3/BiVO4 based systems in the literature. Results: The HEMO-modified WO3/BiVO4/TiO2 photoanode demonstrated enhanced structural stability and superior hydrogen production performance. The results indicate that HEMO incorporation suppresses recombination, facilitates charge separation, and broadens light absorption, in line with recent literature trends. This study confirms that incorporating high- entropy metal oxides represents a promising strategy in photoanode engineering for scalable photoelectrochemical hydrogen production.
Benzer Tezler
- Hidroksiapatit matrisli yüksek entropili alaşım/yüksek entropili oksit takviyeli kompozit üretimi ve özelliklerinin araştırılması
Production and characterization of hydroxyapatite-matrix composites reinforced with high-entropy alloys and high-entropy oxides
HASAN SAFA
Doktora
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiMersin ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVAL HALE GÜLER
- Cocrfeni-B₄C çok bileşenli alaşım kompozitlerin mikroyapısal gelişimleri ve sertlik değişimleri üzerinde tavlama sıcaklığı ve tavlama süresinin etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of annealing temperature and annealing time on microstructural evolution and hardness changes of cocrfeni-B₄C multi-component alloy composites
RECEP CAN KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Metalurji MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN KOTAN
- Lityum pillerde anot malzemesi olarak yüksek entropili oksitlerin kullanımı
Use of high entropy oxides as anode materials in lithium batteries
MELTEM ÇAYIRLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ANIK
- Mekanokimyasal sentez yöntemiyle BaTa2O6 üretimi, Fe giderimi, lüminesans ve termodinamik özellikler
BaTa2O6 production by mechanochemical synthesis, Fe removal, luminescence and thermodynamic properties
MUSTAFA İLHAN
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMALETTİN YAMAN
PROF. DR. AYHAN MERGEN
- Effect of transition metal substitution on high-temperature properties of thermoelectric materials
Termoelektrik malzemelerin yüksek sıcaklık özellikleri üzerine geçiş metali katkılamanın etkisi
MURAT GÜNEŞ
Doktora
İngilizce
2014
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AHMET MACİT ÖZENBAŞ
PROF. DR. MEHMET PARLAK