توسعه و بهينه‌سازي پوشش‌هاي لايه‌نازك هماتيت (Fe2O3) براي كاربرد در شكافت فوتوالكتروشيميايي آب در سلول‌هاي تاندم

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

توليد هيدروژن از طريق تجزيه فوتوالكتروشيميايي آب، يكي از رويكردهاي اميدبخش براي تبديل و ذخيره‌سازي انرژي خورشيدي در قالب سوخت شيميايي است. در اين ميان، هماتيت (α-Fe2O3) به‌دليل فراواني، پايداري شيميايي مناسب، سميت پايين و گاف نواري حدود eV 1/2، گزينه‌اي مناسب براي ساخت فوتوآند به شمار مي‌رود؛ بااين‌حال، طول نفوذ كوتاه حفره‌ها، رسانايي الكتريكي محدود و بازتركيب سريع حامل‌هاي نوري، عملكرد فوتوالكتروشيميايي آن را محدود مي‌كند. در اين پژوهش، ابتدا فوتوآندهاي هماتيتي با تركيب رسوب‌دهي لايه نازك آهن به روش كندوپاش مگنتروني، آندايزينگ الكتروشيميايي و عمليات حرارتي ساخته شدند و اثر زمان كندوپاش و مدت‌زمان آندايزينگ بر ويژگي‌هاي ساختاري، مورفولوژيكي، نوري و فوتوالكتروشيميايي آن‌ها بررسي شد. مشخصه‌يابي نمونه‌ها با استفاده از پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM)، طيف‌سنجي فرابنفش–مرئي، ولتامتري روبش خطي (LSV)، طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS)، آزمون‌هاي جريان نوري گذرا و ساير تحليل‌هاي الكتروشيميايي انجام گرفت. بررسي اثر شرايط ساخت نشان داد كه عملكرد فوتوآند هماتيتي حاصل برآيند هم‌زمان ميزان جذب نور، مورفولوژي و تخلخل سطح، سطح فعال الكتروشيميايي و فرايندهاي جدايش و انتقال حامل‌هاي بار است. در مجموعه نمونه‌هاي ساخته‌شده با زمان ثابت 25 دقيقه براي كندوپاش، افزايش زمان آندايزينگ از 20 به 70 ثانيه موجب توسعه ساختار متخلخل و بهبود پاسخ فوتوالكتروشيميايي شد، در حالي كه افزايش بيشتر زمان آندايزينگ تا 120 ثانيه با تخريب موضعي لايه و آشكارشدن بخش‌هايي از زيرلايه FTO همراه بود و عملكرد الكترود را كاهش داد. نتايج حاصل از ظرفيت دولايه الكتريكي، پاسخ جريان نوري گذرا، آناليز مات–شاتكي و طيف‌سنجي امپدانس نيز برتري شرايط مياني آندايزينگ را نسبت به زمان‌هاي كوتاه‌تر و طولاني‌تر تأييد كرد. براي بررسي هم‌زمان اثر پارامترهاي فرايندي، از طراحي آزمايش مبتني بر روش سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. استفاده از طراحي كامپوزيت مركزي امكان بررسي فضاي آزمايش با 10 آزمايش را در مقايسه با 25 تركيب متناظر در يك طراحي فاكتوريل كامل فراهم كرد. بهينه‌سازي عددي، زمان كندوپاش 9/27 دقيقه و زمان آندايزينگ 6/37 ثانيه را با مطلوبيت 93/0 به‌عنوان شرايط بهينه پيش‌بيني كرد و چگالي جريان نوري پيش‌بيني‌شده در پتانسيل VRHE 23/1 برابر با mA cm⁻2 345/0 به دست آمد. اعتبارسنجي تجربي اين شرايط با ساخت سه فوتوآند مستقل، چگالي جريان متوسط mA cm⁻2 036/0±392/0 را در VRHE 23/1 نشان داد. همچنين، فوتوآند بهينه در پتانسيل VRHE 60/1 به چگالي جريان نوري حدود mA cm⁻2 5/1 دست يافت. در ادامه، با هدف گسترش پاسخ فوتوالكتروشيميايي فوتوآند به محدوده پتانسيل‌هاي پايين‌تر و فراهم‌كردن شرايط مناسب‌تر براي تطبيق با يك فوتوكاتد، سطح هماتيت با CdS اصلاح شد. تشكيل ساختار α-Fe2O3/CdS با بررسي‌هاي ميكروسكوپي و آناليز عنصري ارزيابي شد و پاسخ فوتوالكتروشيميايي آن در مقايسه با α-Fe2O3 بدون اصلاح، تغيير مطلوبي به‌ويژه در محدوده پتانسيل‌هاي پايين‌تر نشان داد. در بخش بعد، فوتوكاتد CuO با تركيب كندوپاش لايه Cu، اصلاح شيميايي و عمليات حرارتي تهيه شد و تشكيل فاز CuO با آزمون XRD تأييد گرديد. اين فوتوكاتد تحت نور عبوري از فوتوآند α-Fe2O3/CdS نيز پاسخ فوتوكاتدي قابل تشخيصي نشان داد و بدين ترتيب، عملكرد آن تحت شرايط نوري نزديك‌تر به آرايش واقعي تاندِم مورد ارزيابي قرار گرفت. در نهايت، پاسخ‌هاي فوتوالكتروشيميايي فوتوآند α-Fe2O3/CdS و فوتوكاتد CuO براي ارزيابي تطبيق جريان در يك سامانه تاندِم مقايسه شدند. هم‌پوشاني پاسخ دو فوتوالكترود، يك نقطه كار پيش‌بيني‌شده در حدود VRHE 47/0 و چگالي جريان تقريبي μA cm⁻2 192 نشان داد. اين نتيجه، سازگاري فوتوالكتروشيميايي دو فوتوالكترود و امكان متصل‌شدن آن‌ها در يك آرايش تاندِم را پشتيباني مي‌كند.

238479

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان