Nanoyapılı malzemelerin sentezlenmesi, fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal performanslarının incelenmesi

Abstract

Fotoelektrokimyasal güneş pilleri foto-hassas yarıiletken elektrot üzerine düşen güneş ışığının elektrik enerjisine çevrilmesi ile bu elektrotun içerisine yerleştirildiği elektrolit solüsyonundaki suyun hidroliz edilmesini sağlar. Başka bir deyişle güneş enerjisi kullanılarak hidrojen elde edilmiş olunur. Bu pillerin en önemli iki bileşeni foto-hassas çalışma elektrotu ile karşıt elektrottur. Elektrotların enerji bant kenar değerleri, fotokorozyon dayanımları, yüzey özellikleri gibi parametreler fotoelektrokimyasal güneş pillerinin verimini doğrudan etkiler. Tez çalışmasında nanoyapılı çalışma ve karşıt elektrotlar üretilerek bunların performansları incelenmiştir. Çalışma kapsamında, nanoyapılı çalışma elektrotu olarak farklı morfolojilerde çinko oksit filmler sentezlenmiştir ve bu filmlerinin performans/fiziksel özellik etkileşimleri incelenmiştir. Nano çubuk, denizkestanesi, yelpaze ve nano levha benzeri morfolojilerdeki ZnO ince filmler kimyasal banyo biriktirme metodu ile çinko kaynağı anyonlarının değiştirilmesiyle elde edilmiştir. Morfoloji kontrolü ile ince film elektrotların görünür bölgede optik soğurma özellikleri ve aydınlık koşullarda elde edilen akım yoğunlukları iyileştirilmiştir. Başka bir deyişle nano çubuk morfolojisine sahip elektrotların aydınlık akım yoğunlukları 0,407 mA/cm2 iken bu değer nano levha benzeri morfolojiye sahip elektrotlar için 3,55 mA/cm2 değerine ulaşmıştır. Bununla birlikte, çinko oksit ince film elektrotların fotoelektrokimyasal hücre performansları, nano levha yapılı morfolojiye sahip elektrotların kullanılmasıyla yaklaşık 160 kat artmıştır. Aynı zamanda farklı morfolojide üretilen ZnO yapıları nano toz olarak da yine kimyasal banyo biriktirme yöntemi ile üretilip, bu tozların fotokatalitik özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmada üretilen çinko oksit nano çubuk, deniz kestanesi, yelpaze ve nano levha benzeri tozların yüzey alanları sırayla 5,44, 13,53, 12,69 ve 36,22 m2/g olarak saptanmıştır. Farklı morfolojilerdeki bu çinko oksit nanotozlar kullanılarak elde edilen maksimum metiloranj degredasyon yüzdeler ise sırasıyla %95,65, %60,87, %91,51 ve %47,25 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca, alaşımlama-seçimli alaşımlama yöntemi ile üretilen nano-platinyum ve rutenyum karşıt elektrotların fotoelektrokimyasal pillerin verimlerine olan etkileri incelenmiştir. Alaşımlama-seçimli alaşımlama yöntemleri ile üretilen nanogözenekli platinyum elektrotun levha elektrota göre hücre performansının 3 kat, nano gözenekli rutenyum elektrodun ise yaklaşık 2,5 kat daha fazla olduğu saptanmıştır. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen diger bir çalışmada ise, nanoyapılı çalışma elektrotu olarak farklı morfolojilerde üretilen çinko oksit filmlerden nano levha morfolojisine sahip olanlar, fiziksel buhar depolama ve sülfürüzasyon yöntemleri kullanılarak CuInS2 ve ZnIn2S4 kaplanmıştır. Bu sayede görünür bölgeye denk gelen ve ışık altında sulu çözeltide foto-aktif olan üçlü kalkoprit yarı iletkenlerinin ZnO nano yapılar ile heteroeklemleri elde edilmiştir. Heteroeklem elektrotların, sadece çinko oksit elektrotlara kıyasla aydınlık akım yoğunluğunluklarının ve hidrojen üretme kapasitelerinin daha iyi olduğu sonucu elde edilmiştir. Başka bir deyişle, ZnO/CuInS2 foto-elektrotu kullandığımızda yalnızca ZnO kullanılan elektrota göre aydınlık koşullarda hidrojen üretme kapasitesi 150 kat artmıştır.

Photoelectrochemical solar cells enable photo-sensitive semiconducting electrodes to hydrolyze the water in the electrolyte solution by turning the sunlight into electrical energy. In other words, hydrogen is obtained using solar energy. The two most important components of these systems are the photo-sensitive working electrode and the counter electrode. Parameters such as energy band edge values, photocorrosion resistance, surface properties of the electrodes directly affect the efficiency of photoelectrochemical solar cells. In this thesis, nanostructured working and counter electrodes were produced and their performances were examined. In this work zinc oxide films were synthesized as nanostructured working electrodes in different morphologies and the performance / physical property interactions of these films were investigated. ZnO thin films in morphologies such as nano rod, sea urchin, fan and nano sheet were obtained by zinc anion exchange with chemical bath deposition method. The morphology control improves the optical absorption characteristics of thin film electrodes in the visible region and the current densities obtained in the illuminated conditions. In other words, the illuminated current densities of the electrodes with nano rod morphology were 0.407 mA/cm2, while those for nano sheet like morphology reached 3.55 mA/cm2. Additionally, photoelectrochemical cell performances of zinc oxide thin film electrodes increased for about 160 times with the use of nano sheet electrodes. At the same time, the ZnO structures produced at different morphologies were produced by nano-powder using chemical bath deposition method and the photocatalytic properties of these powders were investigated. Surface areas of the zinc oxide nano rod, sea urchin, fan and nano sheet like powders were 5.44, 13.53, 12.69 and 36.22 m2/g, respectively. The maximum percentages of methyl orange degradation obtained using these zinc oxide nanopowders with various morphologies were ranging between 47.25 and 95.65%. Moreover, the effects of nano-platinum and ruthenium counter electrodes produced by alloying-dealloying method on the photoelectrochemical performance of ZnO nanowire and thin film photoanodes were investigated. Nanoporous platinum electrode produced by alloying-dealloying method had 3 times higher cell performance than plate electrode. Similarly, ruthenium nanoporous electrodes resulted with 2.5 times higher efficiency compare to the plate electrode. Finally, zinc oxide electrodes having nano plate morphology are coated with CuInS2 and ZnIn2S4 using physical vapor deposition and sulfurization methods. In this case, heterojunctions of the trivalent chalcopyrite semiconductors showed optical absorption in the visible region and very high photoactivity. It has been observed that the heterojunction electrodes have a better illuminated current density and hydrogen generation capacities than the zinc oxide electrodes alone. In other words, when we use the ZnO / CuInS2 photo-electrode, the hydrogen production capacity has been increased by 150-fold in illuminated conditions compared to the electrode using only ZnO photoanode.