ارزيابي خواص فوتوالكتروشيميايي نانولوله هاي اكسيد تيتانيوم سياه با نواقص ساختاري كنترل شده براي بهبود عملكرد تفكيك آب در محدوده نور مرئي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد و متالورژي

دكتري

در دهه‌هاي اخير استفاده بي‌رويه از سوخت‌هاي فسيلي علاوه بر كاهش منابع انرژي، منجر به آلودگي زيست‌محيطي، افزايش گازهاي گلخانه‌اي و تغييرات اقليمي و گرم شدن زمين شده است. اين چرخه منفي بر اكثر جوانب زندگي انسان تأثيرگذار است. توليد هيدروژن فوتوالكتروشيميايي با استفاده از تفكيك آب يك راه حل اميدواركننده براي برطرف كردن مسائل مربوط به انرژي و محيط‌زيست در آينده است. فوتوكاتاليست اكسيد تيتانيوم به دليل ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد نظير پايداري شيميايي خوب و شكاف باند انرژي وسيع براي كاربرد تفكيك آب به روش فوتوالكتروشيميايي توجه زيادي را به خود جلب كرده است. با اين حال شكاف باند انرژي زياد، جذب پايين نور به ويژه در محدوده مرئي و بازتركيبي حامل‌هاي بار نوري توليد شده، منجر به كاهش راندمان فوتوكاتاليستي اكسيد تيتانيوم مي‌شود. براي افزايش راندمان تفكيك فوتوالكتروشيميايي آب و افزايش جذب نور مرئي، توليد فوتوكاتاليست Black-TiO2 با ايجاد جاي خالي اكسيژني و دوپ Ti3+ در ساختار مطرح است. اين مطالعه به بررسي سنتز نانولوله‌هاي Black-TiO2 از طريق كاهش حرارتي تك‌مرحله‌اي تحت گاز آرگون (Ar)، كاهش الكتروشيميايي تك‌مرحله‌اي(A-E) و فرآيند كاهش دومرحله‌اي حرارتي-الكتروشيميايي (Ar-E) مي‌پردازد كه منجر به ايجاد جاهاي خالي اكسيژني (OV) و دوپ Ti3+ در ساختار مي‌شود. بررسي‌هاي FESEM نشان داد كه هر دو فرآيند كاهش موجب حفظ مورفولوژي نانولوله‌هايTiO2 شد. نتايج XRD و رامان حاكي از پايداري فاز آناتاز با كاهش جزئي شدت پيك‌ها، جابجايي پيك‌ها و افزايش نقص‌هاي شبكه‌اي بود. بررسي‌هاي FESEM نشان داد كه هر دو فرآيند كاهش موجب حفظ مورفولوژي نانولوله‌هايTiO2 شد. نتايج XRD و رامان حاكي از پايداري فاز آناتاز با كاهش جزئي شدت پيك‌ها، جابجايي پيك‌ها و افزايش نقص‌هاي شبكه‌اي بود. نتايجUV-Vis-DRS باريك شدن شكاف باند انرژي را از eV 2/3 (A) به eV 8/2 (Ar-E) نشان داد و به افزايش جذب نور مرئي منجر شد. نتايج XPS درصد بالاتر جاهاي خالي اكسيژني و Ti3+ در نمونه Ar-E (%48) نسبت به نمونه A-E (%24) و نمونه Ar (%17) و اثر هم‌افزايي عيوب در نمونه Ar-E را تأييد كرد. اندازه‌گيري زاويه تماس نمونه‌ها نشان داد كه عمليات كاهش باعث افزايش آب دوستي نانولوله‌هاي Black-TiO2 شد. نتايج مات شاتكي نشان داد كه دانسيته حامل‌هاي بار در نمونه‌هاي Black-TiO2 افزايش يافت و در فوتوآند Ar-E حدود 1300 برابر بيشتر از نمونه اكسيد تيتانيوم اوليه (A) بود. دانسيته جريان نوري اكسيد تيتانيوم سياه اصلاح شده (µA.cm-2 311) در ولتاژ VRHE 23/1، 8/2 برابر اكسيد تيتانيوم اوليه بود. بازده تزريق بار (ηinj) و بازده جداسازي بار بالك (ηsep) به ترتيب به 5/75% و 2/23% در نمونه Ar-E در ولتاژ VRHE 23/1 رسيد. شيب‌ تافل در نمونه Ar-E به mV.dec-1 171 كاهش يافت، كه نشان‌دهنده سينتيك سريع‌تر واكنش OER است. آزمون كرونوآمپرومتري پايداري 9/96% را در نمونه Ar-E در 1 ساعت نشان داد. سطح ويژه فعال الكتروشيميايي در نمونه Ar-E نسبت به نمونه A، 9/6 برابر بيشتر شد. تحليل آزمون OCP، فوتوولتاژهايي تا mV 155 و طول عمر كوتاه‌تر حامل‌هاي بار (67/0 ثانيه) در Ar-E را نشان داد كه نشان‌دهنده جداسازي بار بهبود يافته است. نتايج EIS كاهش مقاومت انتقال بار (Rct)، افزايش سينتيك انتقال بار(kct) و كاهش طول عمر حفرها را در نمونه Ar-E نشان داد. اين نتايج نشان مي‌دهند كه كاهش دومرحله‌اي در توليد Black-TiO2، با افزايش جذب نور مرئي و بهبود راندمان جداسازي بار، عملكرد تفكيك آب فوتوالكتروشيميايي را ارتقا مي‌دهد.

238289

مهندسي مواد و متالورژي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان