توصيفگر ها :
هيدروژن , شكافت آب فوتوكاتاليستي , فوتوآند , نانولولههاي اكسيد تيتانيوم , كاهش الكتروشيميايي , بافتدهي سطحي , ليزر فيبري حكاكي
چكيده فارسي :
هيدروژن بهعنوان يك حامل انرژي پاك، سبك و با چگالي انرژي بالا، از جايگاه ويژهاي در آينده انرژي پايدار برخوردار است. يكي از مؤثرترين روشهاي توليد هيدروژن، شكافت آب به روش فوتوالكتروشيميايي (PEC) است كه در آن با استفاده از انرژي نوري، مولكولهاي آب به اكسيژن و هيدروژن تجزيه ميشوند. در اين فرآيند، فوتوكاتاليستها، كه عمدتاً از مواد نيمهرسانا تشكيل شدهاند، نقش كليدي در جذب نور، توليد جفتهاي الكترون-حفره و انجام واكنشهاي اكسايش و كاهش ايفا ميكنند. با اين حال، بسياري از فوتوكاتاليستهاي متداول مانند TiO₂ به دليل باندگپ بالا، بازتركيب سريع حاملهاي بار و جذب محدود نور مرئي، از كارايي پاييني برخوردارند. بهبود ساختار، مورفولوژي و خواص سطحي اين نيمهرساناها، رويكردي مؤثر براي ارتقاء عملكرد آنها در توليد هيدروژن از شكافت آب محسوب ميشود. در اين پژوهش، بهمنظور بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي نانولولههاي اكسيد تيتانيوم كاهشيافته براي واكنش شكافت آب، از روش اصلاح سطحي زيرلايههاي تيتانيومي به كمك ليزر فيبري حكاكي استفاده شد. ابتدا سطوح تيتانيومي با دو الگوي متفاوت ليزري بافتدهي شدند و سپس طي فرآيند آندايزينگ، نانولولههاي TiO₂ روي آنها سنتز شدند. در ادامه، با اعمال كاهش الكتروشيميايي، ساختار TiO₂ به فرم كاهشيافته با حضور گونههاي Ti³⁺ و جايخالي اكسيژن تبديل شد. تصاوير بهدست آمده از ميكروسكوپ FE-SEM شكل گيري نانولولههاي اكسيد تيتانيوم در تمامي نمونهها رو تاييد كردند و قطر داخلي و خارجي نانولولهها با استفاده از نرم افزار ImageJ محاسبه گرديد. بررسي ساختاري با XRD براي تمامي نمونهها انجام شد و با نمونه تيتانيوم گريد 2 خالص كه به عنوان زيرلايه در تمامي نمونهها استفاده شده بود مقايسه گرديد. نتايج حاصل وجود فازهاي آناتاز و روتايل را در نمونههاي بافتدار تأييد كرد، در صورتي كه در نمونههاي ساده كه تحت فرايند ليزري قرار نگرفته بودند، تنها فاز آناتاز مشاهده شد. طيفسنجي UV-Vis نشان داد كه انرژي باندگپ از eV 3 در نمونه S بهeV 2/2در نمونه T2 كاهش يافته و جذب نور در ناحيه مرئي بهبود يافته است به طوري كه لبه جذب تا حدود 800 نانومتر افزايش يافت. به كمك آزمون ترشوندگي، زاويه تماس قطره آب با سطح هر نمونه اندازه گيري شد كه در نمونههاي ليزر شده زاويه تماس قطره آب صفر درجه مشاهده شد كه نشان دهنده ابرآبدوستي سطح اين نمونهها بود. آزمون OCP بيشترين فوتوولتاژ را براي T2 با مقدار 37/0 ولت ثبت كرد همچنين، مساحت سطح ويژه فعال الكتروشيميايي در نمونه T2 برابر باcm2 216 برآورد شد كه نسبت به نمونه شاهد S ( cm215/1) افزايش حدود 180 برابر را نشان داد. نتايج آزمون مات-شاتكي در بازه پتانسيلي 1+ تا 5/1 ولت نسبت به پتانسيل Ag/AgCl نشان داد كه چگالي حاملهاي بار در نمونه T2 به طور چشمگيري افزايش داشته است و همچنين پتانسيل باند تخت تمامي نمونهها نسبت به نمونه شاهد، كاهش قابل توجهي از خود نشان دادند؛ به عبارت ديگر، پتانسيل باند تخت آنها منفيتر شد. آزمون كرونوآمپرومتري چگالي جريان نوري بالاتر از mA 7/0 را براي نمونهT2 نشان داد و پايداري تمامي نمونهها در برابر سيكلهاي قطع و وصل نور تأييد شد. تحليل EIS و نمودارهاي باد نيز كاهش مقاومت انتقال بار و بهبود رفتار الكتروشيميايي را اثبات كردند.
چكيده انگليسي :
Hydrogen is recognized as a promising energy carrier due to its high energy density, low molecular weight, and environmentally benign nature. As the global demand for sustainable and carbon-neutral energy sources intensifies, hydrogen is anticipated to play a pivotal role in future energy systems. Among the various hydrogen production technologies, photoelectrochemical (PEC) water splitting stands out as an efficient and sustainable approach, wherein solar energy is directly harnessed to dissociate water molecules into hydrogen and oxygen. This process offers a clean and renewable pathway for hydrogen generation, contributing significantly to the transition toward a green energy economy. In this study, surface texturing of titanium substrates using fiber laser engraving was employed to improve the photocatalytic performance of reduced titanium dioxide nanotubes for the water-splitting reaction. Initially, titanium surfaces were textured with two different laser patterns, followed by anodization to synthesize TiO₂ nanotubes. Subsequently, electrochemical reduction transformed the TiO₂ structure into its reduced form, introducing Ti³⁺ species and oxygen vacancies. FE-SEM images confirmed the formation of TiO₂ nanotubes in all samples, and their inner and outer diameters, as well as approximate lengths, were measured using ImageJ software. Structural analysis using XRD was conducted for all samples and compared to pure grade 2 titanium, which served as the substrate. The presence of both anatase and rutile phases was confirmed in the textured samples, whereas only the anatase phase was observed in untreated ones.UV-Vis spectroscopy revealed a reduction in the bandgap energy to 2.2 eV for sample T2, along with improved visible light absorption, extending the absorption edge up to ~800 nm. Wettability tests indicated that laser-treated surfaces exhibited superhydrophilicity, with contact angles close to 0°. The open circuit potential (OCP) test recorded the highest photovoltage of 0.37 V for sample T2. Furthermore, the electrochemically active surface area for T2 was estimated at 216 cm², approximately 180 times greater than that of the reference sample (1.215 cm²). Mott-Schottky analysis in the potential range of +1 to +1.5 V vs. Ag/AgCl indicated a significant increase in charge carrier density for T2 and a notable negative shift in the flat-band potential across all treated samples compared to the control. Chronoamperometric measurements showed a higher photocurrent density of over 0.7 mA for sample T2, with all samples demonstrating stability under light cycling. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Bode plots further confirmed reduced charge transfer resistance and enhanced electrochemical behavior.
