DESIGN AND CHARACTERIZATION OF ACTIVE PHOTOCATAYLYSTS BASED ON TRANSITION METAL CHALCOGENIDES


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Institute for Graduate Studies in Pure and Applied Sciences, Turkey

Approval Date: 2019

Thesis Language: English

Student: İREM TANIŞIK

Supervisor: Atıf Koca

Abstract:

Fosil yakıtların kullanımı CO2 salınımına neden olmaktadır. Sonn yıllarda, artan çevre hassasiyetleri nedeniyle alternative enerji kaynaklarının kullanımına olan eğilim artmıştır.Alternatif enerji kaynakları arasında hidrojen enerjisine yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Enerji olarak hidrojen, fosil yakıtlardan veya suyun elektrolizinden elektrik enerjisi kullanılarak eldee dilmektedir. Bugüne kadar hidrojen üretimi çoğunlukla fosil kaynaklardan elde edilmiştir. Ancak bu yöntemler çevre dostu olarak değerlendirilmediği, sürdürülebilir ve temiz olmadığı için enerji sektöründe hidrojen enerjisi gereken ilgiyi görememiştir. Bu nedenle, son yıllarda güneş enerjisi ile sudan hidrojen üretimi için yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Fotokatalitik hidrojen üretiminde katalizörler öenmli bir yere sahiptir. CdxZn(1-x)S control edilebilir bant boşlukları ve korozyona karşı mükemmeld ayanıklılıkları nedeniyle en çok tercih edile nfotokatalizörlerden biridir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında farklı x değerleri kullanılarak CdxZn(1-x)S ve RGO- CdxZn(1-x)S fotokatalizörleri sentezlendi ve hidrojenaktiviteleri test edildi. Farklı CdxZn(1-x)S fotokataliz bileşimleri, termal sülfürizasyon yöntemi ile sentezlenmiş olup CdxZn(1-x)S fotokatalizörleri fotokatalitik aktiviteyi arttırmak için indirgenmiş grafenoksit (RGO) üzerine dekore edilmiştir. Fotokatalizörlerin karakterizasyonu; yüzey morfolojileri, bant aralıkları ve kafes parametreleri hakkında bilgi sahibi olmak için X-Ray difraktometre (XRD), taramalı electron mikroskobu (SEM), ultraviyole-görünür (UV-VIS) spektrofotometre ve Raman spektrofotometre cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, CdxZn(1-x)S ve RGO-CdxZn(1-x)S fotokatalizörlerinin hidrojen aktivitesine bakılmıştır. XRD, EDS ve Raman spektrası yardımı ile fotokatalizörlerin yapıları belirlendi. RGO-CdxZn(1-x)S fotokatalizörlerinde RGO’nun varlığı kanıtlanmıştır. RGO, elektron transfer hızını, adsorpsiyon kapasitesini ve genişletilmiş ışık emme aralığını arttıran, yüksek bir electron iletkenliğine sahip olduğu için RGO-CdxZn(1-x)S fotokatalizörlerinin fotokatalitik aktivitesi daha yüksek bulunmuştur. 2.86 eV banta ralığına sahip olan RGO-Cd0.7Zn0.3S fotokatalizörü, 141.6 µmolh-1 hidrojen üretimi ve %19.4 kuantum verimi ile hidrojen üretimi için en uygun fotokatalizör olarak tespit edilmiştir. Termal sülfürizasyon metodu ile üretilen Cd0.7Zn0.3S fotokatalizörünün kristalliği yüksek olduğu için farklı yöntemlerle üretilen Cd0.7Zn0.3S fotokatalizörlerinden daha fazla hidrojen üretim hızına sahip olduğu gözlemlenmiştir. -------------------- The use of fossil fuels causes CO2 emissions. In recent years, the tendency to use alternative energy sources has increased due to increased environmental concerns. Among the alternative energy sources, studies on hydrogen energy have accelerated. Hydrogen as an energy source is obtained both from fossil fuels or electrolysis of water. Up to today, hydrogen production has mostly been derived from fossil sources. However, since these approaches are considered as non-environmentally friendly, and clean; hydrogen energy in the energy sector has not been able to pay attention. In recent years, researches are concentrated on hydrogen production from water studies on the production of hydrogen from water by using solar energy have intensified. In the photocatalytic hydrogen production, the catalysts have an important place. CdxZn(1-x)S is one of the most preferred photocatalysts due to their controllable band cavities and their excellent resistance to corrosion. Therefore, CdxZn(1-x)S and RGO-CdxZn(1-x)S photocatalysts were synthesized using different x values in this thesis study and hydrogen activities were analysed. CdxZn(1-x)S photocatalysts with different compositions were synthesized by the thermal sulphurization technique and the these photocatalysts were decorated with reduced graphene oxide (RGO) to enhance photocatalytic activity. To determine crystal systems, lattice parameters, band spacing and surface morphologies, produced photocatalysts were characterized by X-Ray diffractometer (XRD), Ultraviole-visible (UV-VIS) spectrophotometer, scanning electron microscope (SEM) and Raman spectrophotometer. Subsequently, hydrogen efficiency of CdxZn(1-x)S and RGO-CdxZn(1-x)S composites were analysed. Structures of photocatalysts were characterized by XRD, EDS and Raman spectra. Presence of RGO in RGO-CdxZn(1-x)S has proven by these analysis. As RGO has a high electron conductivity which increases electron transfer rate, adsorption capacity and extended light absorption range, RGO-CdxZn(1-x)S photocatalysts have higher photocatalytic activity. The RGO-Cd0.7Zn0.3S photocatalyst having 2.86 eV band gap was found to be the most suitable photocatalyst for hydrogen production with 141.6 µmolh-1 hydrogen production and 19.4 % quantum efficiency. Since high crystallinity has observed from thermal sulphurization method, Cd0.7Zn0.3S photocatalyst produced by thermal sulphurization method has higher rate of hydrogen production than Cd0.7Zn0.3S photocatalysts produced by different methods.