توصيفگر ها :
خاصيت ارتقاء فوتوني , نقاط كوانتومي , متمركزكننده هاي امواج نوراني خورشيد , فوتوآند , فوتوالكتروكاتاليست , شكافت آب
چكيده فارسي :
در بخش اول رساله، نقاط كوانتومي گرافن از منبع كربني گلوكز و انباشت شده با نيتروژن تحت عنوان NGQD-G به روش هيدروترمال سنتز شد تا به عنوان ذرات لومينسانس‌كننده در قطعات متمركزكننده امواج نوراني خورشيد (LSC) استفاده شود. مشخصه‌يابي نقاط كوانتومي حاكي از فلورسانس قوي در طول موج تحريك 320 نانومتر و وجود خاصيت ارتقاء فوتوني در طول موج تحريك 720 نانومتر مي‌باشد. بازده كوانتومي فلورسانس اين ذرات برابر با 65 درصد محاسبه شد. جهت ساخت قطعات LSC، از پليمر پلي‌متيل‌متا‌آكريلات به عنوان بستر پليمري با شفافيت بالاي 85 درصد استفاده شد. پس از ساخت قطعات، هر يك در ابعاد 3 × 20 × 20 ميلي‌متر برش داده شده و از مقطع عرضي به سلول خورشيدي پروسكايتي متصل شدند تا عملكرد آن‌ها مورد ارزيابي قرار گيرد. مقايسه عملكرد دو قطعه LSC در عدم حضور و حضور نقاط كوانتومي با افزايش PEC سلول خورشيدي از 01/2 به 77/8 درصد، حاكي از عملكرد بسيار مناسب NGQD-G در زمينه جذب امواج نوراني خورشيد و نشر در طول موج مناسب براي سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي است.
در بخش دوم اين رساله، نقاط كوانتومي گرافن از منبع كربني سيتريك اسيد و انباشت شده با نيتروژن تحت عنوان NGQD-C به روش هيدروترمال سنتز شد تا در جهت ارتقاء عملكرد فوتوالكتروكاتاليستي TiO₂ در فرآيند شكافت آب به عنوان فوتوآند مورد استفاده قرار گيرد. مطالعه خاصيت فلورساني و ارتقاء فوتوني در نقاط كوانتومي نشان داد كه بيشينه شدت فلورسانس در طول موج تحريك 360 نانومتر و بيشينه شدت نشر فرآيند ارتقاء فوتوني در طول موج تحريك 680 نانومتر قرار گرفته است. بازده كوانتومي فلورسانس در نقاط كوانتومي NGQD-C برابر با 1/51 درصد محاسبه شد. جهت آماده‌سازي فوتوآند مورد نظر، نانوگل‌هاي TiO₂ با استفاده از پيش‌ماده تيتانيوم‌ايزوپروپوكسيد در محيط اسيدي بر روي سطح FTO به روش هيدروترمال سنتز شد و در ادامه آرايش و تثبيت نقاط كوانتومي بر روي سطح آن با قرارگيري نمونه‌ها در كوره تحت اتمسفر نيتروژن انجام گرفت. چگالي جريان حاصل از فرآيند اكسايش آب در محيط 0/1 مولار KOH در سطح الكترود NGQDs/TiO₂ نسبت به الكترود TiO₂ با افزايش 8 برابري به 0/3 ميلي‌آمپر بر سانتي‌متر مربع در ولتاژ 23/1 ولت نسبت به الكترود استاندارد هيدروژن رسيد. پايداري كاتاليستي در گذر زمان از ديگر نقاط قوت الكتروكاتاليست طراحي شده به شمار مي‌رود.
در بخش نهايي، اصلاح فوتوآند TiO₂ مورد استفاده در فرآيند اكسايش آب در دو مرحله انجام شد. در ابتدا نقاط كوانتومي CdTe با خاصيت ارتقاء فوتوني با استفاده از روش هيدروترمال از پيش‌ماده‌هاي CdCl2 و Na2TeO3 و محافظت شده با تيوگليكوليك اسيد سنتز شد. مطالعه خواص نوري اين ذرات نشان داد كه بيشينه طول موج تحريك براي نشر فلورساني در طول موج 340 نانومتر و بيشينه نشر حاصل از فرآيند ارتقاء فوتوني در محدوده 680 تا 720 نانومتر ظاهر مي‌شود. همچنين، بازده كوانتومي فلورسانس اين ذرات 6/18 درصد محاسبه شد. در ادامه، فوتوكاتاليست TiO₂ آماده شده در مرحله قبل طي دو مرحله انباشت توسط سيلسيوم و نقاط كوانتومي CdTe اصلاح شد. جهت انباشت اين ذرات، در محلول سنتزي اوليه از تترااتيل اورتوسيليكات به عنوان پيش‌ماده سيلسيوم و از محلول حاوي نقاط كوانتومي CdTe با غلظت مشخص استفاده شد. عملكرد فوتوالكتروكاتاليست نهايي تحت عنوان CdTe/Si:TiO₂ با دو كاتاليست ديگر Si:TiO₂ و TiO₂ در محيط بازي 0/1 مولار KOH مقايسه شد. كاتاليست نهايي به ترتيب با افزايش 4/5 و 5/12 برابري نسبت به دو كاتاليست ديگر چگالي جرياني معادل 3/4 ميلي‌آمپر نسبت به الكترود استاندارد هيدروژن نشان داد. توانايي بالا فوتوآند طراحي شده در توليد و انتقال حامل‌هاي بار، كاهش بازتركيبي و همچنين پايداري عملكرد از ويژگي‌هاي بارز اين كاتاليست محسوب مي‌شوند.
چكيده انگليسي :
In the first part, N-doped graphene quantum dots (NGQD-G) are synthesized by cost-effective and environmentally friendly materials. The as-prepared NGQD-G possesses advantages of high photoluminescence quantum yield of 64% and upconversion emission. Here, UCNPs are first reported to be used as fluorophores for LSC fabrication. The properties of NGQDs-PMMA LSCs are investigated while only one side of LSCs is covered by a perovskite solar cell. The performance of the LSCs is optimal, and the values of Voc, Jsc, and PEC reach up to 0.81 V, 24.7 mA.cm-2, and 8.77%, respectively. The PCE of the NGQDs-PMMA-PV device reaches more than 4.3 folds to that of the pure PMMA-PV device.
In the second part, Photoelectrochemical (PEC) properties of TiO₂ nanorod arrays as a photoanode in the water splitting process have been extensively investigated as they are photostable and cost-effective. However, due to its wide bandgap, only the UV part of solar light can be employed by TiO₂. To enhance the photoresponse of TiO₂ in the visible range, newly synthesized nitrogen-doped graphene quantum dots (NGQD-C) were applied as a sensitizer and catalyst. The upconversion NGQD-C possesses advantages of solvent-free synthesis and high photoluminescence quantum yield of 51%. The merits of high photocarrier (e-/h+) generation at very low onset potential and low charge recombination provide high photocurrent density in NGQDs/TiO₂ electrode. Hybrid NGQDs/TiO₂ heterostructures show a photocurrent enhancement of 3.0 mA.cm-2 for water oxidation compared to pristine TiO₂ using 1.0 M KOH solution as electrolyte and scan rate of 5 mV.s-1. Additionally, the charge accumulation processes and charge transfer characteristics of electrodes are investigated by electrochemical impedance spectroscopy. These results provide the platform to understand the insights of graphene quantum dots/metal-oxide interfaces in PEC reactions and discuss the feasibility of graphene quantum dots in a wide range of electrochemical and photoelectrochemical-based fuel conversion devices.
In the last part, silicon-doped TiO₂ nanorod arrays (Si:TiO₂) were fabricated on FTO substrate by single-step hydrothermal method using tetraethylorthosilicate as silicon source. This incorporation helped to increase the wettability and brings synergic effect to TiO₂ nanorod films by increasing the crystallinity, producing abundant oxygen vacancies, as well as improving the electronic properties. For Si-doped TiO₂ nanotube electrode, the maximum photocurrent density reaches from 0.3 to 1.8 mA.cm-2. In the next step, the photoanode was decorated with CdTe quantum dots with efficient photoluminescence (PL) upconversion. CdTe/Si:TiO₂ photoelectrode generated photovoltage of 750 mV which is high enough in comparison with TiO₂ and Si:TiO₂ and is important for efficient solar-driven water splitting. Moreover, the photoelectrode shows long-term stability for water oxidation under light-on/light-off cycles. The CdTe/Si:TiO₂ photoelectrode shows photocurrent density as high as 4.3 mA.cm−2 at a potential of 1.23 V versus reversible hydrogen electrode, which is 5.4 and 12.5 folds higher than that of the Si:TiO₂ and TiO₂ photoanodes without doping.
