H2O ve H2S ayrıştırması ile fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi için CdS fotoanotların temel yük transferi ve kullanım süreçleri

Fotoelektrokimyasal (PEC) yeşil hidrojen üretimi, fosil yakıtlara karbon nötr, depolanabilir ve taşınabilir bir alternatif olan yeşil hidrojen üretmek için verimli, kolay ve gelecek vaat eden bir yaklaşım olarak en önemli temiz enerji teknolojilerinden biridir. Hidrojen üretimi için kullanılan farklı reaksiyonlar vardır ve en önemlisi toksik olmayan ve erişilebilir bir kaynak olarak su ayrıştırmasıdır. Bir başka çok önemli, ancak daha az çalışılan reaksiyon, termodinamik olarak H2O'dan daha az zorlu bir reaksiyon olan H2S ayrıştırmasıdır. Ancak deneysel zorluklar ve yüksek toksisite nedeniyle uygulamaları gereken ilgiyi görmemiştir. H2S rafineri endüstrisi için çok kritik bir konudur ve yeşil hidrojen üretimi daha fazla ilgi gördükçe o da daha çok önem kazanacaktır. Zamanla küresel ısınmanın ciddi sonuçları ve ciddi sonuçları ve toplumun artan enerji talebi, fotoelektrot olarak kullanılabilen yarı-iletken malzemeler üzerinde kapsamlı araştırmaları başlattı. Bunların arasında CdS, dar bant aralığı, H2O ve H2S ayrıştırma yarı reaksiyonları için uygun bant-kenar hizalanması ve kolay üretimi nedeniyle güneşten hidrojene enerji dönüşümü için bir fotoanot olarak uygundur. Bununla birlikte yüzey yük rekombinasyonu nedeniyle fotokorozyon ve istikrarsızlıktan müzdariptir. Şimdiye kadar, CdS üzerine yapılan araştırmalar, aktivite kaybının arkasındaki nedenleri anlamaktan çok, üstün niteliklerinden faydalanmak için onu farklı malzemelerle modifiye etmeye odaklanmıştı. Bu tezde fotoanot/elektrolit arayüzündeki temel yük taşıyıcı dinamikleri ve bozulmamış CdS'nin ışık kaynaklı deaktivasyonu için olası yollar, geçici fotoakım (TPC) ölçümleri kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiştir. Hidrojen kaynağı olarak H2O ve H2S kullanılmıştır. H2O ayrıştırması için, yüzeydeki kükürt boşluklarına koordine edilen hekzadesiltrimetilamonyum bromürün (CTAB), yüzeydeki electron yakalamayı pasifleştirerek yük ayrılmasını ve kullanımını kolaylaştırdığını gösterdik. CdS fotoanotlarının yüzey özelliklerinin CTAB ile ayarlanması, yüzeyde pozitif delik birikimini azalttı ve CTAB'in Br− bileşeninin yüzey kükürt boşluklarını doldurduğu ve bir pozitif delik çıkarıcı katman gibi davrandığı bir yüzey pasivasyon mekanizması ile 1 V'de enjeksiyon verimliliğini 0.61'den 0.99'a yükseltti, yüzey yük rekombinasyonunu azalttı ve yüzeyi pasifleştirdi. İkinci olarak, electron yakalamayı bastırmak için kullanılabilecek başka bir hafif yüzey işleme yöntemi sağlamak için CdS yüzeyi üzerinde incre bir TiO2 tabakası biriktirmek için atomik katman biriktirme (ALD) kullanıldı. Ultra ince pasivasyon üst katmanları, PEC aktivitesi üzerindeki olumlu etkileriyle bilinmesine ragmen, CdS üzerindeki TiO2'nin yük yakalamayı pasifleştirmenin verimsiz bir yolu olduğu kanıtlanmıştır. Aslında, özellikle yüksek üst tabaka kalınlığı ile PEC aktivitesi üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. TiO2 üst katman büyümesini izlemek için XPS, raman spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi kullandık ve UV spektroskopisi ve X-ışını kırınımı (XRD) ile optic, kristal yapı ve yüzey özelliklerini Analiz ettik. Farklı TiO2 üst katman kalınlığı ve TPC davranışındaki değişikliği araştırmak için farklı potansiyellerde kronoamperometri (CA) ölçümleri kullanıldı. H2S ayrıştırması için TiO2 ile modifiye edilmiş CdS numunelerini test ettik, CdS'nin H2S beslemeli alkalin alektrolit içindeki geliştirilmiş stabilitesini analiz etmek için XPS ve kronoamperometri (CA) sonuçlarını analiz ettik. CdS'nin istikrarı ve PEC aktivitesi, H2O ayrıştırmasındaki zayıf istikrarı dikkate alındığında, H2S varlığında oldukça umut vericiydi. Yüzey kükürt boşluklarının ve ışıkla indüklenen S2− çözünmesinin deaktivasyon sürecinde önemli bir rol oynadığı CdS için bir electron yakalama mekanizması sağladıktan sonra, H2S ile beslenen elektrolitin CdS fotokorozyonu için bir geri kazanım etkisine sahip olduğu bulundu. Ayrıca TiO2 üst katmanları, bozulmamış CdS'nin fotoakım yoğunluğunu 0.8 VRHE'de %53 arttırarak H2S bölünmesinde ters bir etki göstermiştir. Bu çalışma, yük taşıyıcı dinamiklerinin ayrıntılı ve sistematik bir analizini sağlayarak fotoanot/elektrolit arayüzlerinde yük kullanım süreçlerinin anlaşılmasını geliştirmek için CdS ve diğer yarı iletken fotoelektrotlar üzerine yapılacak daha ileri çalışmalar için önemli bir katkı olabilir.