Gümüş nanokubbelerin hidrojen gazı üretimine elektrokatalitik etkilerinin incelenmesi

Abstract

Nanolitografi ve yumuşak litografi ile elektrokimyasal çöktürme tekniklerinin bir arada kullanılması ile değişik boyutlarda (400, 800, 1200 and 1600 nm) üç boyutlu (3D) gümüş nanokubbeler (AgNDs) hazırlanmıştır. Cam slayt üzerine biriktirilmiş 3D latex parçacıklar, PDMS üzerinde oluşturulmuş nano çukurlar ve üç boyutlu AgNDs yapıların yüzeyleri tarama elektron mikroskopu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) ile incelenmiştir. Kubbelerin yükseklik ve genişlik analizleri AFM ile analiz edilmiştir. Hazırlanan nanokubbelerin ve boyutlarının hidrojen gazı çıkışına katalitik etkileri 6 M KOH çözeltisinde 298 K'de elektrokimyasal teknikler ile incelenmiş ve elde edilen bulgular saf Ag ile kıyaslanmıştır. En etkin elektrotun elektroliz ortamındaki elektrokimyasal kararlılığı kronoamperometri ile incelenmiştir. Elde edilen bulgular, uygulanan yöntem ile oldukça iyi yapıda ve homojen dağılımlı nanokubbelerin elde edilebileceğini göstermiştir. Saf Ag elektrot ile kıyaslandığında AgND elektrotlar hidrojen gazı çıkışını daha iyi katalizlemektedir. AgND elektrotların hidrojen gazı oluşumuna katalitik etkileri çaplarına bağlı olarak değişmektedir. Çalışılan boyutlarda en iyi etkinlik 1200 nm boyutunda elde edilmiştir. Hidrojen gazı oluşum reaksiyonu Volmer-Hyrovsky mekanizmasına uymakta ve Volmer reaksiyonu kontrollü gerçekleşmiştir. Saf Ag ile kıyaslandığında -1,40 V(Ag/AgCl) potansiyelde bu elektrotta akım yoğunluğu 0,70 mA cm-2'den 44,13 mA cm-2'ye yükselmiştir. Bu boyuttaki AgND elektrot elektroliz çözeltisinde zamanla oldukça yüksek elektrokimyasal kararlılık göstermiştir. Elektrotun yüksek katalitik etkisi ve kararlılığı, nano yapıların yapısı ve geniş gerçek yüzey alanına sahip olması ile açıklanmıştır.

Ag nanodomes (AgNDs) having different sizes (400, 800, 1200 and 1600 nm) were fabricated using combination of nanosphere lithography, soft lithography and electrochemical deposition techniques. The surface structures of 3D assembled latex particles, nanovoids and metal nanodomes (ND) were examined using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Their heights and widths analyses were performed with the help of AFM. The effect of diameter of the NDs on their hydrogen evolution activity was examined in 6 M KOH solution at 298 K using electrochemical techniques and their activities were compared with the activity of bulk Ag electrode. The electrochemical stability of the best electrode was tested in electrolysis conditions using chronoaperometry technique. It was found that very well-structured and very uniformly distributed NDs can be fabricated in this procedure. AgNDs exhibits higher hydrogen evolution activity with respect to bulk Ag. Their hydrogen evolution activity depends on their diameters; 1200 nm NDs were the best among them. The HER at the bulk and nanostructured electrodes takes place through Volmer-Heyrovsky mechanism which is controlled by Volmer step. The current density at -1.40 V(Ag/AgCl) increased from 0.70 mA cm-2 to 44.13 mA cm-2 at this ND electrode with respect to bulk Ag. This electrode has high electrochemical stability as a function of electrolysis time. The superior hydrogen evolution performance of this electrode was related to its well-structured and large real surface area.