Investigation of semiconductive sulfur based catalysts for hydrogen production


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Engineering, Chemical Engineering, Turkey

Approval Date: 2017

Thesis Language: English

Student: BURAG AGOPCAN

Supervisor: ATIF KOCA

Abstract:

HİDROJEN ÜRETİMİ İÇİN YARI İLETKEN KÜKÜRT ESASLI KATALİZÖRLERİN İNCELENMESİ Günümüzde hidrojen en fazla birincil ve yenilenemez enerji kaynağı olan fosil yakıtlardan, doğalgazın reformasyonu gibi proseslerle elde edilmektedir. Fosil yakıtların kullanımı sonucunda ortaya çıkan gazlar küresel ısınmayı tetiklemektedir. Diğer yandan artan nüfus ile birlikte fosil yakıt rezervleri giderek azalmaktadır. Fosil yakıtlarının bu gibi dezavantajları alternatif enerji kaynaklarının aranmasına neden olmuştur. Su yeryüzünde bol miktarda bulunan temiz bir hidrojen kaynağıdır. Güneş ise ücretsiz ve yenilenebilir birincil enerji kaynağıdır. Bu nedenle fotokatalitik hidrojen üretimi araştırmacılara cazip gelmiştir. Fotokatalitik hidrojen üretiminde verimi artırmak için çeşitli fotokatalizörler denenmektedir. Fotokatalizörler arasında, CdxZn(1-x)S, fotokatalitik hidrojen üretimi için uygun özelliklere sahip önemli bir kükürt esaslı fotokatalizördür. Bu sebeple bu tez çalışmasında farklı x değerlerine sahip CdxZn(1-x)S üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiş olup, fotokatalitik hidrojen üretim aktivitesi değerlendirilmiştir. Farklı x değerlerine sahip CdxZn(1-x)S fotokatalizörleri, sülfürizasyon yöntemi ile üretilmiş olup, bileşik formülleri, kristal sistemleri, kafes parametreleri, yüzey morfolojileri ve bant aralıkları x-ışını kırınım yöntemi(XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektrometresi (EDS) ve UV-VIS-NIR spektrofotometresi ile karakterize edilmiştir. Son olarak fotokatalizörlerin fotokatalitik hidrojen üretim aktiviteleri solar simülatör yardımı ile S-2 ve SO3-2 içeren çözelti içerisinde test edildi. XRD ve EDS sonuçlarının yardımı ile CdS, Cd0.77Zn0.23S, Cd0.58Zn0.42S ve ZnS üretildiği teyit edilmiştir. Üretilen fotokatalizörler arasında, UV-VIS yayınım yansıma spektrumu kullanılarak hesaplanan ve 2.55 eV bant aralığına sahip olduğu tespit edilen Cd0.77Zn0.23S fotokatalizörü, 1927 µm. g-1.sa-1 hidrojen üretimiyle en yüksek verimi göstermiştir. Cd0.77Zn0.23S fotokatalizörün, aynı formüle sahip çöktürme yöntemi ile elde edilen fotokatalizörlerden daha iyi verim göstermesinin sebebi sülfürizasyon prosesi sırasında oluşan tabakalı yüzey ve yüksek kristal yapı ile açıklanmıştır. -------------------- INVESTIGATION OF SEMICONDUCTIVE SULFUR BASED CATALYSTS FOR HYDROGEN PRODUCTION ABSTRACT Today, hydrogen is most often obtained from fossil fuels, which are the primary and non-renewable sources of energy, such as natural gas reforming. Gases emerging as a result of the use of fossil fuels trigger global warming. On the other hand, with increasing population, fossil fuel reserves are gradually decreasing. These disadvantages of fossil fuels have led to the search for alternative energy sources. Water is a clean hydrogen source that is abundant in the earth. The sun is a free renewable and primary energy source. For this reason, photocatalytic hydrogen production has been attractive to researchers. Various photocatalysts have been tried to increase efficiency of photocatalytic hydrogen production. Among the photocatalysts, CdxZn(1-x)S is an important sulfur-based photocatalyst having properties suitable for photocatalytic hydrogen production. For this reason, CdxZn(1-x)S production and characterization with different x values were carried out and the photocatalytic hydrogen production activity was evaluated in this thesis study. The CdxZn(1-x)S photocatalysts with different x values were produced by the sulfurization method and the compound formulas, crystal systems, lattice parameters, surface morphologies and band gaps were characterized by x-ray diffraction (XRD) method, scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and UV-VIS-NIR spectrophotometer. Finally, the photocatalytic hydrogen production activities of the produced photocatalysts were tested in a solution containing S-2 and SO3-2 with the aid of a solar simulator. With the help of XRD and EDS results, it has been confirmed that CdS, Cd0.77Zn0.23S, Cd0.58Zn0.42S and ZnS were produced. Among the produced photocatalysts, the Cd0.77Zn0.23S photocatalyst having a band gap of 2.55 eV calculated using the UV-VIS diffuse reflectance spectra, showed the highest yield with 1927 μm.g-1.h-1 hydrogen production. The reason why Cd0.77Zn0.23S photocatalyst yields better than the photocatalysts obtained by precipitation with the same formulations is explained by the nano-step surface and high crystal structure formed during the sulfurization process.