Photoelectrochemical water splitting using perovskite semiconductors

Abstract

Bu çalışmada, SrTiO3 ve TiO2 fotoanotları ile oluşturulan fotoelektrokimyasalhücrelerde, hazırlama methodu, Al ve Fe metal yükleme, çoklu yapı kullanımı, elektrolitintipi, molaritesi ve pH'ı gibi parametrelerin suyun fotoelektrokimyasal olarakayrıştırılamasına etkisi araştırılmıştır. Katalizörler katı hal sentezi, sol-jel ve hidrotermalsentez yöntemleri ile hazırlanmış, malzeme elektrot üzerine dönel kaplama, daldırıpçıkararak kaplama ve bıçakla sıyırma yöntemleri ile kaplanmıştır. Ayrıca Sr ve Ti öncülmaddelerinin oranları da değiştirilmiştir. Fotoelektrotların fotoelektrokimyasalperformanslarını ölçmek için, akım-gerilim eğrileri 10 mV/s tarama hızında -1 ile 2 Varasında lineer tarama voltametrisi ile oluşturulmuştur. XRD sonuçları kristal yapınınbelirlenmesinde kullanılırken, UV-VIS ile elde edilen dağınık yansıma spektrumlarıkullanılarak Kubelka-Munk yöntemi ile band enerjileri saptanmıştır. Çalışmada, katı halsentezi ile hazırlanan katalizörlerin bıçak sıyırma yöntemi ile kaplamasının en uygunelektrot hazırlama yöntemi olduğu saptanmıştır. Sr ve Ti öncül maddelerinin molar oranısırasıyla 2:3 olduğunda, 1:1 oranına göre fotoelektrokimyasal performansın 2.5 katına kadararttığı saptanmıştır. Ayrıca XRD analizinden elde edilen SrTiO3'ün kubik yapıda olduğugörülmüştür. Fe yüklemesi SrTiO3'ün bant boşluğu enerjisini çok az (3.2 eV'dan 3.17 eV'ta)değiştirirken Al yüklemesinde band enerjisi değişmemiş, her iki metal varlığında daperformansta iyileşme olmamıştır. Deneylerde en iyi elektrolitin NaOH olduğugözlenmiştir. Suyun fotoelektrokimyasal yöntem ile ayrıştırılması yanında aynımalzemelerden hazırlanmış katalizörler fotokatalitik olarak da test edilmiş, en yüksekhidrojen üretim hızı 600 µmol/s.grcat ile 2:3 oranıyla hazırlanan katalizörde görülmüştür.

In this work, the photoelectrochemical cells with SrTiO3 and TiO2 photoanodes wereconstructed and the effects of preparation method, Al and Fe metal doping, the useheterostructure as well as the type, pH and molarity of electrolyte on photoelectrochemicalwater splitting performance were investigated. Solid state reaction, sol-gel and hydrothermalmethods were used in synthetization of catalysts while in-situ coating, spin coating, dipcoating and doctor blade methods were utilized in coating of the conductive substrates infabrication electrodes. In addition, the precursor ratios of Sr and Ti were also changed.Linear sweep voltammetry from -1 to 2 V with scan rate of 10 mV/s was employed tomeasure the photoelectrochemical performances of the photoelectrodes by construction ofthe current voltage curves. XRD was used to determine the crystal structure while UV-VISanalysis was used to obtain diffuse reflectance spectra of catalysts; Kubelka-Munk methodwas applied to calculate the band gap energies. The solid state reaction followed by doctorblade coating method was found to be the best route to prepare an efficient photoelectrode.When the molar ratio of the Sr and Ti precursors were 2:3, the photoelectrochemicalperformance increased up to 2.5 folds compared to the ratio of 1:1. XRD analysis showedthat cubic perovskite SrTiO3 was obtained. The band gap energy of SrTiO3 slightly changedfrom 3.2 eV to 3.17 eV by Fe-doping, but Al-doping did not change the band gap; nosignificant improvement observed in the performance. The best electrolyte was found to beNaOH. In addition to photoelectrochemical water splitting, the same materials were alsotested in photocatalytic system, in which the particulate catalysts were used; the highesthydrogen production rate, which was with 600 µmol/h.gcat, was observed on the catalystwith the Sr:Ti ratio of 2:3.