CHALCOGENIDES IN PHOTOELECTROCHEMICAL HYDROGEN PRODUCTION APPLICATION AND CHARACTERIZATION


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: RANA MUHAMMAD ZUNAIN AYAZ

Supervisor: Atıf Koca

Abstract:

ÖZET FOTOELEKTROKİMYASAL HİDROJEN ÜRETİMİNDE KALKOGENİDLERİN UYGULAMALARI VE KARAKTERİZASYONLARI Bu çalışmada, temel amacımız verimli hidrojen üretimi için fotokatalizör sentezlemektir. Etkili hidrojen üretimi gerçekleştirebilmek için çok çeşitli yarı iletken malzemeler olmasına rağmen çoğu durumda fotokorozyon ya da ışık etkisiyle oluşan yüklerin geri reaksiyonu sebebiyle fotokatalizör aktivitesi düşer veya bir asil metal yardımcı katalizörü ile (katkılama, yükleme) fotokatalitik aktiviteyi ve kararlılığı arttırmak gereklidir. CdS ve ZnS’in katı çözeltisi olan çok bilinen bir fotokatalizör olan CdxZn1-xS, termal sülfürizasyon yöntemi ile üretildi. Ayrıca, ışık etkisiyle üretilen taşıyıcı yüklerin geri reaksiyonunun ve fotokorozyonun engellenmesi için, RGO fotokatalizör üzerine (RGO-CdxZn1-xS) dekore edilmiştir ve elektrolit S2-,SO32- kurban ajanları ile desteklenmiştir. Bu çalışmada kullanılmış olan termal sülfürizasyon işlemi, ilk aşamada metal oksitlerin üretimi ve diğer aşamada metal sülfürlerin üretimi ile kendi türünde çok yenidir. Farklı Cd ve Zn oranları kullanılarak, on farklı malzeme Cd0.3Zn0.7S, RGO-Cd0.3Zn0.7S, Cd0.5Zn0.5S, RGO-Cd0.5Zn0.5S, Cd0.7Zn0.3S, RGO-Cd0.7Zn0.3S, Cd0.9Zn0.1S, RGO-Cd0.9Zn0.1S, CdS, ve RGO-CdS sentezlenmiştir. Fotoelektrotların hazırlanması için spin kaplama tekniği kullanılmıştır. Tavlama sıcaklığı, kaplama katmanlarının sayısını ve RGO miktarı optimize edildikten sonra hazırlanan fotokatalizörler, X-ray kırınım analizi (XRD), Raman spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ray spektroskopisi (EDS), UV-Vis difüzif yansıma spektroskopisi analizi ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyondan sonra, hazırlanan fotoelektrotlar fotoelektrokimyasal olarak test edildi. Yapılan tüm testlerde kararlılık ile birlikte yüksek fotokatalitik aktivite oldukça belirgindir. Bununla birlikte, Cd oranının artışı ile birlikte foto aktivite (foto akım yoğunluğu ve hidrojen üretim hızı) ve fotokatalizörlerin fotostabilitesinin önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Sentezlenen ve hazırlanan tüm fotokatalizörlerden RGO-CdS 6.5 mAcm-2 foto-akım yoğunluğuna sahiptir ve teorik değerin neredeyse %89’una ulaşır. Uygulanan bias ışıktan akım eldesi verimi literature ile kıyaslandığında en yüksek fotoakım yoğunluğu eldesiyle 0 Vbias’ de % 2.67 olduğu görülmüştür. RGO-CdS için hidrojen üretim hızı 551.1 μmolsa-1 olarak elde edilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda RGO-CdS, yüksek foto kararlılığa sahip ve gelecekteki araştırma ve uygulama alanlarında kullanım potansiyeli olan verimli bir fotokatalizör olarak önerdik. -------------------- ABSTRACT CHALCOGENIDES IN PHOTOELECTROCHEMICAL HYDROGEN PRODUCTION APPLICATION AND CHARACTERIZATION In this work, our main goal is to synthesize a photocatalyst for efficient hydrogen production. Although there is a huge variety of semiconducting photocatalyst materials for efficient hydrogen production but in most of the cases either because of photocorrosion or photogenerated charges recombination, photocatalyst loses its activity or a noble metal co-catalyst (doping, loading) is required to enhance the stability along with the activity of photocatalytic process. CdxZn1-xS, a solid solution of CdS and ZnS, very famous photocatalyst has been synthesized through the process of thermal sulfurization. Furthermore, for the inhibition of photogenerated charge particles recombination and photocorrosion of photocatalyst, RGO is also decorated on the photocatalyst (RGO-CdxZn1-xS) and electrolyte is supported with S2-,SO32- sacrificial reagent. The process of thermal sulfurization used in this work is very novel of its own kind in which metal oxides are produced in first step and metal sulfides in the other step. By using different ratio of Cd and Zn, ten different samples have been synthesized as Cd0.3Zn0.7S, RGO-Cd0.3Zn0.7S, Cd0.5Zn0.5S, RGO-Cd0.5Zn0.5S, Cd0.7Zn0.3S, RGO-Cd0.7Zn0.3S, Cd0.9Zn0.1S, RGO-Cd0.9Zn0.1S, CdS, and RGO-CdS. For the preparation of photoelectrode, spin coating technique was employed. After optimizing the annealing temperature, number of coating layers, and RGO contents, prepared photoelectrodes are characterized with X-ray diffraction analysis XRD, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), UV-Vis diffusive reflectance spectroscopy. After characterization, prepared photoanodes were tested photoelectrochemically. Incredible photo-activity along with photostability is very prominent in all tests. However, it is seen that with the increase in Cd-contents, the photo-activity (photocurrent density, hydrogen production rate) and photo-stability of photocatalysts increases remarkably. Out of all the synthesized and prepared samples, RGO-CdS exhibit the highest photocurrent density of 6.5 mAcm-2 and reaches almost 89% of its theoretical value. The applied bias photon-to-current efficiency (ABPE) appears to be 2.67% at 0 Vbias (vs. Pt) which is the highest obtained photocurrent value and yield of RGO-CdS as compared to literature. The rate of hydrogen production for RGO-CdS comes out to be 551.1 μmolsa-1. As a result of this work, we proposed RGO-CdS as an efficient photocatalyst possessing excellent photostability and has a potential for the use in the future researches and applications.