31787

بررسي عوامل مؤثر بر لايه نشاني شيميايي اكسيد بيسموت نانوساختار و تأثير افزودن اكسيد مس بر ساختار، ريزساختار و خواص فوتوالكتروشيميايي

دكتري

مهندسي مواد

1394

1401/11/10

دكتر حسين سرپولكي - دكتر سعيد رستگاري

فاقد مشاور

مهندسي مواد و متالورژي

موضوع تأمين انرژي پايدار و همچنين حفظ محيط‌زيست از چالش¬هاي مهم بشر محسوب مي‌شود؛ لذا اين موضوع سبب شده كه دانشمندان به فكر يافتن راه مناسبي براي ذخيره و تبديل انرژي خورشيد به شكل انرژي¬هاي موردنياز بشر بيافتند. پديده فتوالكتروشيميايي كه در آن نور سبب ايجاد حاملان بار و جدايش آنها و متعاقباً واكنش اكسيداسيون/احيا در فصل مشترك مايع و نيمه¬هادي مي¬گردد راه مناسبي را براي ذخيره مستقيم نور خورشيد به شكل پيوند شيميايي به طور ويژه سوخت¬هاي شيميايي به‌مانند هيدروژن فراهم نموده است. استفاده از انرژي نور خورشيد براي توليد هيدروژن به‌عنوان سوخت از طريق شكافت فتوالكتروشيميايي آب بشر را به يكي ديگر از اهداف خود كه كاهش گازهاي گلخانه¬اي است نيز نزديك مي¬نمايد. علي‌رغم پژوهش-هاي وسيعي كه براي استفاده از نيمه¬هادي¬هاي متنوع در سيستم شكافت فتوالكتروشيميايي آب صورت پذيرفته است، ليكن تا كنون توفيق مطلوبي براي ايجاد سيستم شكافت فوتوالكتروشيميايي آب مبني بر اين نيمه¬هادي¬ها حاصل نشده است؛ لذا پژوهشگران در تلاش براي دست¬يابي به نيمه¬هادي مناسب براي به‌كارگيري در سلول¬هاي شكافت فوتوالكتروشيميايي آب متوجه شدند كه نيمه¬هادي¬ها بر پايه Bi همچون Bi2O3 و CuBi2O4 به دليل ساختار الكتروني آن¬ مي‌تواند گزينه¬هاي مناسبي باشند؛ لذا در اين پژوهش تلاش شد تا با واپايش متغيرهاي روش رسوب‌دهي حمام شيميايي (غلظت ماده آغازگر، pH حمام شيميايي، دماي حمام و غلظت عامل كمپلكس‌كننده) در مرحله نخست پوششي از آرايه¬هاي دوبعدي (2D) از اكسيد بيسموت با ساختار بلوري تتراگونال بر سطح زيرلايه شيشه پوشش داده شده توسط FTO (اكسيد قلع دپ شده با فلئور) با عملكرد فوتوالكتروشيميايي بهينه ايجاد شود. نتايج نشان مي¬داد كه با ايجاد حمام شيمايي با غلظت M 06/0 از يون Bi با pH 12و با دماي حمام ˚C 60 و با افزودن TEA با نسبت مولي 4=TEA/[Bi] فوتوالكترود اكسيد بيسموت با بيشترين فوتوجريان (μA/cm2 750 در پتانسيل VRHE 2/1) به دست آمد. در مرحله بعدي از روش الگوي فداشونده به‌منظور ايجاد فوتوالكترود CuBi2O4 استفاده شد. بدين منظور با ريختن محلول حاوي يون مس بر سطح فوتوالكترود اكسيد بيسموت به‌دست‌آمده از مرحله اول پژوهش و عمليات حرارتي آن در دماهاي بين ºC 350 تا ºC 600 سعي شد مطالعات مربوط به ايجاد پوشش CuBi2O4 صورت پذيرد. نتايج حاكي از آن است كه CuBi2O4 از واكنش حالت جامد بين اكسيد مس و اكسيد بيسموت تشكيل مي¬شود و به همين دليل به‌منظور دستيابي به آن نياز به تأمين حداقل دما براي انجام عمليات حرارتي است. با اعمال دماي عمليات حرارتي ºC 500 فتوالكترودي از β-Bi2O3/CuBi2O4 مي¬آيد و با ادامه افزايش آن به ºC 600، ميزان β-Bi2O3 و CuBi2O4 به ترتيب كاهش و افزايش مي¬يابد. آزمون ولتامتري روبشي تحت تابش نور با شدت تابش mW/cm2 100 حاكي از دستيابي به فتوالكترود β-Bi2O3/CuBi2O4 با اتصال ناهمگون با دانسيته جريان mA/cm2 8/1در پتانسيل VRHE 4/0 است. بررسي سازوكار انتقال بار نشان مي¬دهد كه انتقال بار بين فازهاي β-Bi2O3 و CuBi2O4 با سازوكار طرح Z صورت‌گرفته و اين موضوع در كنار عللي همچون ايجاد فوتوالكترود متخلخل از دلايل فوتوجريان قابل‌توجه استحصالي از اين فوتوالكترود است.

1403/08/30

The study of the chemically prepared nanostructured bismuth oxide coating and the effect of copper oxide addition on its structure, microstructure, and photoelectrochemical properties

1/1/1900 12:00:00 AM

Sustainable energy supply from clean, cheap, large-scale energy sources is one of mankind's most pressing challenges. Therefore, scientists are seeking a solution for storing and converting solar energy into human-useable energy as a result of this issue. Recent advancements in photoelectrochemistry at the semiconductor/liquid interface offer a sustainable method for emulating natural photosynthesis and producing chemicals, particularly hydrogen fuel, from sunlight, water, and air. The utilization of solar energy to generate hydrogen fuel via photoelectrochemical water splitting advances humanity's objective of mitigating greenhouse gas emissions. Despite extensive research on utilizing various semiconductors in photoelectrochemical water splitting systems, a successful implementation of such a system with high efficiency has yet to be realized. Consequently, to identify an appropriate semiconductor for photoelectrochemical water splitting cells, researchers determined that Bi-based semiconductors, such as Bi2O3 and CuBi2O4, may be viable candidates owing to their electronic structure. In this research, in the first step an attempt was made to deposit the two-dimensional (2D) arrays of bismuth oxide with a tetragonal crystal structure on the surface of the glass substrate coated by FTO (tin oxide doped with fluorine) substrate by examining the variables of the chemical bath deposition method(precursor concentration, pH, chemical bath temperature and complexing agent concentration) to optimize photoelectrochemical performance. The findings indicated that the photoelectrode prepared in a chemical bath with a Bi ion concentration of 0.06 M, at pH 12 and a temperature of 60 °C, with a TEA to bismuth ions molar ratio of 4, exhibited the highest photocurrent of 750 μA/cm² at a potential of 1.2 VRHE. In the second step, The CuBi2O4 photoelectrode was then prepared using the sacrificial pattern method. In order to achieve this, research on the preparation of CuBi2O4 coating was conducted by pouring a copper ion solution to the surface of the bismuth oxide photoelectrode that was prepared from the initial phase of this study and heat treating it at temperatures ranging from 350 to 600 °C. According to the results, CuBi2O4 is created by the solid state reaction of copper and bismuth oxide; therefore, the minimum heat treatment temperature is necessary to reach CuBi2O4 phase. β-Bi2O3/CuBi2O4 photoelectrodes are produced by applying a heat treatment temperature of 500 °C. As the temperature is raised to 600 °C, the amounts of β-Bi2O3 and CuBi2O4 decrease and increase, respectively. Under light irradiation with a radiation intensity of 100 mW/cm2, linear sweep voltammetry shows that the heterojunction β-Bi2O3/CuBi2O4 photoelectrode has a current density of 1.8 mA/cm2 at 0.4 VRHE. Studying the charge transfer mechanism reveals that the Z-scheme mechanism is responsible for the charge transfer between the β-Bi2O3 and CuBi2O4 phases. This mechanism, along with other factors like the formation of a porous photoelectrode, is one of the reasons for the notable photocurrent that was obtained from this photoelectrode.

شكافت فوتوالكتروشيميايي آب , β-Bi2O3 , CuBi2O4 , الگوي فداشونده , ترسيب حمام شيميايي

Photoelectrochemical Water Splitting , β-Bi2O3 , CuBi2O4 , Sacrificial Pattern Method , Chemical Bath deposition

Mohammad Karimi Sahnesarayi

Dr. Hossein Sarpoolaky Dr. Saeed Rastegari