ميرزايي، محمد

عنوان

توسعه و بهينه‌سازي پوشش‌هاي لايه‌نازك هماتيت (Fe2O3) براي كاربرد در شكافت فوتوالكتروشيميايي آب در سلول‌هاي تاندم

مقطع تحصيلي

دكتري

گرايش تحصيلي

مهندسي مواد

محل تحصيل

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

سال دفاع

1405

صفحه شمار

هشت، 121ص.:مصور، جدول، نمودار

توصيفگر ها

توليد هيدروژن , سلول فوتوالكتروشيميايي تاندم , فوتوآند Fe2O3 , روش سطح پاسخ

تاريخ ورود اطلاعات

1405/07/25

كتابنامه

رشته تحصيلي

مهندسي مواد

دانشكده

مهندسي مواد

تاريخ ويرايش اطلاعات

1405/07/27

كد ايرانداك

23265677

چكيده فارسي

توليد هيدروژن از طريق تجزيه فوتوالكتروشيميايي آب، يكي از رويكردهاي اميدبخش براي تبديل و ذخيره‌سازي انرژي خورشيدي در قالب سوخت شيميايي است. در اين ميان، هماتيت (α-Fe2O3) به‌دليل فراواني، پايداري شيميايي مناسب، سميت پايين و گاف نواري حدود eV 1/2، گزينه‌اي مناسب براي ساخت فوتوآند به شمار مي‌رود؛ بااين‌حال، طول نفوذ كوتاه حفره‌ها، رسانايي الكتريكي محدود و بازتركيب سريع حامل‌هاي نوري، عملكرد فوتوالكتروشيميايي آن را محدود مي‌كند. در اين پژوهش، ابتدا فوتوآندهاي هماتيتي با تركيب رسوب‌دهي لايه نازك آهن به روش كندوپاش مگنتروني، آندايزينگ الكتروشيميايي و عمليات حرارتي ساخته شدند و اثر زمان كندوپاش و مدت‌زمان آندايزينگ بر ويژگي‌هاي ساختاري، مورفولوژيكي، نوري و فوتوالكتروشيميايي آن‌ها بررسي شد. مشخصه‌يابي نمونه‌ها با استفاده از پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM)، طيف‌سنجي فرابنفش–مرئي، ولتامتري روبش خطي (LSV)، طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS)، آزمون‌هاي جريان نوري گذرا و ساير تحليل‌هاي الكتروشيميايي انجام گرفت. بررسي اثر شرايط ساخت نشان داد كه عملكرد فوتوآند هماتيتي حاصل برآيند هم‌زمان ميزان جذب نور، مورفولوژي و تخلخل سطح، سطح فعال الكتروشيميايي و فرايندهاي جدايش و انتقال حامل‌هاي بار است. در مجموعه نمونه‌هاي ساخته‌شده با زمان ثابت 25 دقيقه براي كندوپاش، افزايش زمان آندايزينگ از 20 به 70 ثانيه موجب توسعه ساختار متخلخل و بهبود پاسخ فوتوالكتروشيميايي شد، در حالي كه افزايش بيشتر زمان آندايزينگ تا 120 ثانيه با تخريب موضعي لايه و آشكارشدن بخش‌هايي از زيرلايه FTO همراه بود و عملكرد الكترود را كاهش داد. نتايج حاصل از ظرفيت دولايه الكتريكي، پاسخ جريان نوري گذرا، آناليز مات–شاتكي و طيف‌سنجي امپدانس نيز برتري شرايط مياني آندايزينگ را نسبت به زمان‌هاي كوتاه‌تر و طولاني‌تر تأييد كرد. براي بررسي هم‌زمان اثر پارامترهاي فرايندي، از طراحي آزمايش مبتني بر روش سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. استفاده از طراحي كامپوزيت مركزي امكان بررسي فضاي آزمايش با 10 آزمايش را در مقايسه با 25 تركيب متناظر در يك طراحي فاكتوريل كامل فراهم كرد. بهينه‌سازي عددي، زمان كندوپاش 9/27 دقيقه و زمان آندايزينگ 6/37 ثانيه را با مطلوبيت 93/0 به‌عنوان شرايط بهينه پيش‌بيني كرد و چگالي جريان نوري پيش‌بيني‌شده در پتانسيل VRHE 23/1 برابر با mA cm⁻2 345/0 به دست آمد. اعتبارسنجي تجربي اين شرايط با ساخت سه فوتوآند مستقل، چگالي جريان متوسط mA cm⁻2 036/0±392/0 را در VRHE 23/1 نشان داد. همچنين، فوتوآند بهينه در پتانسيل VRHE 60/1 به چگالي جريان نوري حدود mA cm⁻2 5/1 دست يافت. در ادامه، با هدف گسترش پاسخ فوتوالكتروشيميايي فوتوآند به محدوده پتانسيل‌هاي پايين‌تر و فراهم‌كردن شرايط مناسب‌تر براي تطبيق با يك فوتوكاتد، سطح هماتيت با CdS اصلاح شد. تشكيل ساختار α-Fe2O3/CdS با بررسي‌هاي ميكروسكوپي و آناليز عنصري ارزيابي شد و پاسخ فوتوالكتروشيميايي آن در مقايسه با α-Fe2O3 بدون اصلاح، تغيير مطلوبي به‌ويژه در محدوده پتانسيل‌هاي پايين‌تر نشان داد. در بخش بعد، فوتوكاتد CuO با تركيب كندوپاش لايه Cu، اصلاح شيميايي و عمليات حرارتي تهيه شد و تشكيل فاز CuO با آزمون XRD تأييد گرديد. اين فوتوكاتد تحت نور عبوري از فوتوآند α-Fe2O3/CdS نيز پاسخ فوتوكاتدي قابل تشخيصي نشان داد و بدين ترتيب، عملكرد آن تحت شرايط نوري نزديك‌تر به آرايش واقعي تاندِم مورد ارزيابي قرار گرفت. در نهايت، پاسخ‌هاي فوتوالكتروشيميايي فوتوآند α-Fe2O3/CdS و فوتوكاتد CuO براي ارزيابي تطبيق جريان در يك سامانه تاندِم مقايسه شدند. هم‌پوشاني پاسخ دو فوتوالكترود، يك نقطه كار پيش‌بيني‌شده در حدود VRHE 47/0 و چگالي جريان تقريبي μA cm⁻2 192 نشان داد. اين نتيجه، سازگاري فوتوالكتروشيميايي دو فوتوالكترود و امكان متصل‌شدن آن‌ها در يك آرايش تاندِم را پشتيباني مي‌كند.

چكيده انگليسي

Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a promising approach for converting solar energy into hydrogen. Hematite (α-Fe2O3) is an attractive photoanode material due to its abundance, chemical stability, low toxicity, an‎d suitable ban‎d gap (~2.1 eV); however, its performance is limited by short hole diffusion length, low electrical conductivity, an‎d rapid charge-carrier recombination. In this study, hematite photoanodes were fabricated through magnetron sputtering of Fe thin films, electrochemical anodization, an‎d subsequent thermal treatment. The effects of sputtering an‎d anodization times on their structural, morphological, optical, an‎d photoelectrochemical properties were investigated using XRD, FESEM, UV–Vis spectroscopy, LSV, EIS, transient photocurrent measurements, an‎d other electrochemical analyses. At a fixed sputtering time of 25 min, increasing the anodization time from 20 to 70 s promoted porous structure formation an‎d improved the photoelectrochemical response, whereas prolonged anodization to 120 s caused localized film degradation an‎d partial exposure of the FTO substrate. Electrochemical analyses further confirmed the superior performance of the intermediate anodization condition. Response surface methodology (RSM) using a central composite design was employed to optimize the fabrication parameters. The optimum sputtering an‎d anodization times were predicted to be 27.9 min an‎d 37.6 s, respectively, with a desirability of 0.93 an‎d a predicted photocurrent density of 0.345 mA cm⁻2 at 1.23 VRHE. Experimental validation using three independently fabricated photoanodes yielded an average photocurrent density of 0.392 ± 0.036 mA cm⁻2 at 1.23 VRHE, while approximately 1.5 mA cm⁻2 was achieved at 1.60 VRHE. To extend the photoanode response toward lower potentials, hematite was modified with CdS, an‎d the resulting α-Fe2O3/CdS photoanode exhibited an improved response particularly in the lower-potential region. A CuO photocathode was subsequently fabricated through Cu-film sputtering, chemical treatment, an‎d thermal treatment an‎d exhibited a detectable photocathodic response under light transmitted through the α-Fe2O3/CdS photoanode. Finally, comparison of the responses of the two photoelectrodes indicated a predicted tan‎dem operating point of approximately 0.47 VRHE at 192 μA cm⁻2, supporting their photoelectrochemical compatibility an‎d potential integration into a tan‎dem configuration.

استاد راهنما

مهران نحوي

استاد مشاور

علي اشرفي , نعيمه ناصري

استاد داور

عليرضا مشفق , كيوان رئيسي , مهدي رنجبر

لينک به اين مدرک

https://library.iut.ac.ir/dl/search/default.aspx?Term=21337&Field=0&DTC=107