شماره مدرك
21085
شماره راهنما
2485 دكتري
پديد آورنده
رضائي درزي، مهديه
عنوان
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
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
تجزيه
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هجده، 135ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
فرآيند فوتوالكتروشيميايي شكافت آب , تخريب نوري رودامين B , روش هيدروترمال , جاي خالي اكسيژن , بررسي سينتيكي و ترموديناميكي
عنوان فرعي
.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/12
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
شيمي
دانشكده
شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/12
كد ايرانداك
23153871
چكيده فارسي
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.
چكيده انگليسي
In this thesis, to prepare suitable photocatalysts for hydrogen evolution reaction and photodegradation, nanoparticles based on metal oxides and chalcogenides were synthesized by the hydrothermal method. To characterization the synthesized photocatalysts, methods such as FESEM, EDX, Map, XRD, DRS, FTIR, Raman, TEM, XPS, BET, and contact angle measurement were also utilized. To investigate the photoelectrochemical properties of the synthesized photocatalysts, techniques such as linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, open-circuit voltage measurement, chronoamperometry, and Mott-Schottky analysis were used. First work devised an efficient hydrothermal method to synthesize a TiO2-MoS2 heterostructure with an oxygen vacancy on FTO. The strategy of oxygen vacancy resulted in a photocurrent density of 0.6 mA cm-2, which is 3 times higher than pure TiO2. Also, the TiO2-x-MoS2 heterostructure exhibits a photocurrent density of 2.6 mA cm-2 and higher O2 evolution than pure TiO2 in a 1.0 M KOH solution under UV–Vis irradiation. Compared to unmodified TiO2 nanorods, TiO2-x-MoS2 electrodes exhibit an increase of 13 times in photoelectrochemical activity and have a low overpotential. This is due to accelerated electron transfer kinetics at the TiO2-x-MoS2 interface, an enhanced density of charge carriers, a reduced rate of charge recombination, and a highly wettable surface. Second work a heterojunction system comprising oxygen vacancies-mediated TiO2 nanorods (TiO2-x) modified with MoS2 nanosheets (TiO2-x-MoS2) was prepared using the hydrothermal method. The photocatalytic activity of TiO2-x-MoS2 heterostructure is about 3 times higher than that of pure TiO2. The heterostructure significantly improved the photoinduced charge carrier separation efficiency, resulting in an increase in active species including ˙OH, O2˙-, and h+. Additionally, the Langmuir-Hinshelwood (L-H) model was employed to model kinetic and equilibrium data. The results of scavenging studies indicated that the photocatalytic process heavily relies on superoxide radicals. Additionally, the sensitivity of photocatalytic rates to temperature through kinetic studies based on Arrhenius and transition state models was investigated, which yielded an activation energy of 23.01 kJ/mol for the process. A positive activation entropy (ΔS = +0.017 kJ/mol) was obtained, along with positive ΔH and ΔG values, for the Rhodamine B photodegradation. Third work oxygen vacancy-mediated SrTiO3 nanocubes, recognized as a prominent representative of the ABO3 perovskite family, modified by MoS2 nanoflowers was prepared through a simple two-step hydrothermal method. After introducing oxygen vacancies, the bandgap of SrTiO3 reduced from 3.2 to 2.9 eV. The Z-scheme MoS2/SrTiO3-x composite shows increased photocatalytic efficiency for oxygen evolution and RhB degradation reactions. Under optimal conditions, the photodegradation rate of MoS2/SrTiO3-x heterostructure is about 8 times higher than that of pure SrTiO3. Also, the MoS2/SrTiO3-x heterojunction exhibits improved broadband light absorption, leading to photocurrent densities of 0.52 mA cm-2 at 1.23 V vs. RHE. This represents a five-fold increase in photocurrent compared to pure SrTiO3 nanocubes. The enhanced performance may be due to the interfacial transfer of photogenerated electrons from SrTiO3 to MoS2, leading to effective charge separation in the photocatalyst. The Langmuir-Hinshelwood model was used to model the kinetic and equilibrium data. Photocatalysis is greatly influenced by •OH and •O2-, as demonstrated by experiments involving reactive species trapping.
استاد راهنما
اسماعيل حيدري , علي اصغر انصافي
استاد مشاور
بهزاد رضائي
استاد داور
محمد سراجي , محمدمحسن مومني هامانه , شهرام تنگستاني نژاد