بررسي اثر اصلاح سطحي با ليزر فيبري حكاكي بر بهبود جدايش آب فوتوالكتروشيميايي نانولوله‌هاي TiO2-x تحت نور مرئي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

هيدروژن به‌عنوان يك حامل انرژي پاك، سبك و با چگالي انرژي بالا، از جايگاه ويژه‌اي در آينده انرژي پايدار برخوردار است. يكي از مؤثرترين روش‌هاي توليد هيدروژن، شكافت آب به روش فوتوالكتروشيميايي (PEC) است كه در آن با استفاده از انرژي نوري، مولكول‌هاي آب به اكسيژن و هيدروژن تجزيه مي‌شوند. در اين فرآيند، فوتوكاتاليست‌ها، كه عمدتاً از مواد نيمه‌رسانا تشكيل شده‌اند، نقش كليدي در جذب نور، توليد جفت‌هاي الكترون-حفره و انجام واكنش‌هاي اكسايش و كاهش ايفا مي‌كنند. با اين حال، بسياري از فوتوكاتاليست‌هاي متداول مانند TiO₂ به دليل باندگپ بالا، بازتركيب سريع حامل‌هاي بار و جذب محدود نور مرئي، از كارايي پاييني برخوردارند. بهبود ساختار، مورفولوژي و خواص سطحي اين نيمه‌رساناها، رويكردي مؤثر براي ارتقاء عملكرد آن‌ها در توليد هيدروژن از شكافت آب محسوب مي‌شود. در اين پژوهش، به‌منظور بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي نانولوله‌هاي اكسيد تيتانيوم كاهش‌يافته براي واكنش شكافت آب، از روش اصلاح سطحي زيرلايه‌هاي تيتانيومي به كمك ليزر فيبري حكاكي استفاده شد. ابتدا سطوح تيتانيومي با دو الگوي متفاوت ليزري بافت‌دهي شدند و سپس طي فرآيند آندايزينگ، نانولوله‌هاي TiO₂ روي آن‌ها سنتز شدند. در ادامه، با اعمال كاهش الكتروشيميايي، ساختار TiO₂ به فرم كاهش‌يافته با حضور گونه‌هاي Ti³⁺ و جاي‌خالي اكسيژن تبديل شد. تصاوير به‌دست آمده از ميكروسكوپ FE-SEM شكل گيري نانولوله‌هاي اكسيد تيتانيوم در تمامي نمونه‌ها رو تاييد كردند و قطر داخلي و خارجي نانولوله‌ها با استفاده از نرم افزار ImageJ محاسبه گرديد. بررسي ساختاري با XRD براي تمامي نمونه‌ها انجام شد و با نمونه تيتانيوم گريد 2 خالص كه به عنوان زيرلايه در تمامي نمونه‌ها استفاده شده بود مقايسه گرديد. نتايج حاصل وجود فازهاي آناتاز و روتايل را در نمونه‌هاي بافت‌دار تأييد كرد، در صورتي كه در نمونه‌هاي ساده كه تحت فرايند ليزري قرار نگرفته بودند، تنها فاز آناتاز مشاهده شد. طيف‌سنجي UV-Vis نشان داد كه انرژي باندگپ از eV 3 در نمونه S بهeV 2/2در نمونه T2 كاهش يافته و جذب نور در ناحيه مرئي بهبود يافته است به طوري كه لبه جذب تا حدود 800 نانومتر افزايش يافت. به كمك آزمون ترشوندگي، زاويه تماس قطره آب با سطح هر نمونه اندازه گيري شد كه در نمونه‌هاي ليزر شده زاويه تماس قطره آب صفر درجه مشاهده شد كه نشان دهنده ابرآبدوستي سطح اين نمونه‌ها بود. آزمون OCP بيشترين فوتوولتاژ را براي T2 با مقدار 37/0 ولت ثبت كرد همچنين، مساحت سطح ويژه فعال الكتروشيميايي در نمونه T2 برابر باcm2 216 برآورد شد كه نسبت به نمونه شاهد S ( cm215/1) افزايش حدود 180 برابر را نشان داد. نتايج آزمون مات-شاتكي در بازه پتانسيلي 1+ تا 5/1 ولت نسبت به پتانسيل Ag/AgCl نشان داد كه چگالي حامل‌هاي بار در نمونه T2 به طور چشمگيري افزايش داشته است و همچنين پتانسيل باند تخت تمامي نمونه‌ها نسبت به نمونه شاهد، كاهش قابل توجهي از خود نشان دادند؛ به عبارت ديگر، پتانسيل باند تخت آن‌ها منفي‌تر شد. آزمون كرونوآمپرومتري چگالي جريان نوري بالاتر از mA 7/0 را براي نمونهT2 نشان داد و پايداري تمامي نمونه‌ها در برابر سيكل‌هاي قطع و وصل نور تأييد شد. تحليل EIS و نمودارهاي باد نيز كاهش مقاومت انتقال بار و بهبود رفتار الكتروشيميايي را اثبات كردند.

235269

خوردگي و حفاظت از مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان