طراحي و سنتز فوتوكاتاليست‌هاي بر پايه اكسيدهاي فلزي (TiO2، CaTiO3، SrTiO3) با ايجاد جاي خالي اكسيژن و تلفيق آن‌ها با كالكوژنيد¬ها (MoS2 و CdTe) براي توليد هيدروژن و تخريب نوري رودامين B

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

شيمي

دكتري

در اين رساله، به منظور تهيه فوتوكاتاليست‌هاي مناسب براي واكنش آزاد سازي هيدروژن، تخريب نوري، نانوذرات بر پايه فلزات اكسيدي و كالكوژنيدها به روش هيدروترمال سنتز شدند. به منظور شناسايي فوتوكاتاليست‌هاي سنتز شده از روش‌هاي FESEM، EDX، Map، XRD، DRS، FTIR، Raman، TEM، XPS،BET و اندازهگيري زاويه تماس نيز استفاده شد. جهت بررسي خواص فوتوالكتروشيميايي كاتاليست‌هاي تهيه شده، از روش‌هايي چون ولتامتري روبش خطي، ولتامتري چرخه‌اي، اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي، اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز، كرونوآمپرومتري و موتشاتكي استفاده شد. در كار اول، فوتوكاتاليست ناهمگن TiO2-MoS2 داراي جاي خالي اكسيژن بر روي الكترود FTO به روش هيدروترمال سنتز شد. جاي خالي اكسيژن با ايجاد يك لايه مياني بين نوار هدايت و ظرفيت منجر به كاهش شكاف انرژي و افزايش محدوده جذب نور مرئي مي شود. نتايج حاصل نشان مي‌دهد كه دانسيته جريان نوري حدود mA cm-26/0 ميباشد كه 3 برابر TiO2 است. در كار اول فوتوكاتاليست ناهمگن TiO2-x-MoS2 به روش هيدروترمال بر روي FTO سنتز شد. TiO2-x داراي دانسيته‌ي جريان نوري mA cm-2 6/0 مي باشد كه 3 برابر بيشتر از دانسيته جريان نوري TiO2 مي باشد. همچنين فوتوكاتاليست ناهمگن TiO2-x-MoS2 تحت تابش نور UV-Vis در محلول الكتروليت KOH داراي دانسيته جريان نوري mA cm-2 6/2 مي‌باشد كه افزايش 13 برابري جريان نسبت به TiO2 اصلاح نشده و اضافه ولتاژ سينتيكي كمتري مي‌باشد. اين امر به سنيتيك انتقال بار تسريع شده در فصل مشترك TiO2-x و MoS2 و كاهش باز تركيبي حفره و الكترون و سطح بسيار آبدوست فوتوكاتاليست ناهمگن نسبت داده مي‌شود. در بخش دوم فوتوكاتاليست ناهمگن TiO2-x-MoS2 به روش هيدروترمال به صورت پودر تهيه شد و خاصيت فوتوكاتاليستي آن در فرآيند تخريب نوري رودامين B مورد بررسي قرار گرفت. نتايج حاصل نشان داده است كه فعاليت تخريب فوتوكاتاليستي TiO2-x-MoS2 حدود 3 برابر بيشتر از TiO2 اصلاح نشده است. فوتوكاتاليست ناهمگن منجر به افزايش گونه‌هاي فعال شامل •OH، O2•- و h+ شده كه فعاليت فوتوكاتاليستي را بهبود مي‌بخشند. همچنين از مدل لانگموير-هينشلوود جهت مدل‌سازي داده‌هاي سينتيكي استفاده شده است. بررسي اثر به دام اندازنده‌ها نشان داده كه O2•- به عنوان يك عامل موثر در فرآيند تخريب فوتوكاتاليستي نقش ايفا كرده است. همچنين اثر دما بر فعاليت فوتوكاتاليستي به صورت سينتيكي بررسي شد و با استفاده از مدل آرنيوس مقدار انرژي فعال سازي kJ/mol 1/23 به دست آمده است. همچنين بررسي‌هاي ترموديناميكي انجام و مقادير آنتالپي ΔH، آنتروپي ΔS و انرژيِ آزاد گيبس ΔG به دست آمد. بخش سوم نانومكعب هاي SrTiO3 اصلاح شده با جاي خالي اكسيژن، كه به عنوان نماينده برجسته گروه پروسكايت‌ها (با فرمول ABO3) با نانوگل‌هاي MoS2 به صورت يك ساختار ناهمگن از طريق روش هيدروترمال دو مرحله‌اي ساده تهيه شدند. بعد از ايجاد جاي خالي اكسيژن، شكاف انرژي SrTiO3 از 2/3 به 9/2 الكترون‌ولت كاهش يافت. ساختار ناهمگن MoS2/SrTiO3-x با مكانيسم عملكرد نوع Z بازده قابل توجهي جهت انجام فرآيندهاي فوتوكاتاليستي از خود نشان داد. در شرايط بهينه، سرعت تخريب رودامين B در حضور فوتوكاتاليست ناهمگن MoS2/SrTiO3-x حدود 8 برابر بيشتر از SrTiO3 خالص است. همچنين اين فوتوكاتاليست داراي محدوده جذب نور مرئي بيشتري بوده كه منجر به دانسيته جريان نوري mA cm-2 52/0 در مقابل 23/1 ولت RHE مي‌شود. اين نشان‌دهنده افزايش 5 برابري در جريان نوري در مقايسه با نانومكعب‌هاي خالص SrTiO3 است. اين بهبود عملكرد ممكن است به دليل انتقال الكترون‌هاي توليد شده از طريق تابش نور از SrTiO3 به MoS2 باشد كه منجر به جداسازي بار موثر در فوتوكاتاليست مي‌شود.

237603

تجزيه

شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان