Synthesis and characterization of mesoporous nickel oxide and nickel cobaltite thin films

Bu tezde, eriyik tuz yardımlı kendiliğinden oluşma (EYKO) metodu uyarlanarak, mezogözenekli nikel oksit (m-NiO) ve nikel kobalt oksit (m-NiCo2O4) ince film sentezi gerçekleştirilmiştir. m-NiO ve m-NiCo2O4 filmleri, nikel tuzu ve nikel tuzu ve kobalt tuzu karışımının ve iki yüzey aktifin (yüklü, CTAB ve nötr C12EO10) oluşturduğu saydam etanol çözeltilerinin kaplanması ve değişik sıcaklıklarda (250-500 oC) yakılması ile elde edilmiştir. Bu metot, mezogözenekli ince filmler üretmek amacıyla, geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında oluşturulan liyotropik sıvı kristal (LSK) ara fazların yakılmasıyla test edilmiştir. Her iki sistem de (Ni(II) ve Ni(II)/Co(II)), geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında (tuz/yüzey aktif madde mol oranı 2-8), etanolün ortamdan buharlaşmasıyla, kararlı ve düzenli LSK arafazlarını oluşturur. Bu fazlar, hem saydam çözeltilerin döngülü kaplama yöntemi ile (ki bu yöntem etanolün daha hızlı buharlaşmasını ve LSK jel fazının ince film şeklinde oluşmasını sağlar) hem de damlatma yayma yöntemi ile (jelleşme daha uzun zaman alır) elde edilebilir. Daha yüksek tuz konsantrasyonlarında (10-30 tuz/yüzey aktif madde mol oranlarında), arafaz düzensizdir ve tuz kristalleri atımı gözlemlenir. Fakat, eğer örnekler jelleşme aşamasından hemen sonra yakılırsa, bu yüksek tuz oranlı malzemeler mezogözenekli metal oksit üretimi için yine de kullanılabilirler. Arafazlar düşük tuz oranlarında hekzagonal fazda iken yüksek tuz oranlarında düzensiz kübik arafazındadır. Yakılmış filmler, x-ray difraktometresi (XRD), N2-adsorpsiyon- desorpsiyon, görüntüleme (SEM, TEM ve POM) ve spektroskopi (UV-Vis, XPS, EDX, ATR-FTIR) teknikleri ile karakterize edilmiştir. N2-adsorpsiyon- desorpsiyon izotermleri, tip IV'e aittir ve bu izotermler mezogözenekli malzemeler için karakteristiktir. XRD verileri gösteriyor ki; m-NiO ve m-NiCo2O4 kristalleri, sırasıyla 300 oC ve 250 oC de 3-4 nm gözenek duvar kalınlığıyla oluşur. Gözenek duvarları, yakma sıcaklığının 500 oC'ye çıkmasıyla 20 nm'ye kadar artmaktadır. Bu sonuçlar, sıcaklığın artmasıyla düşen BET yüzey alanı verileri ile uyumludur; m-NiO için 300 oC'de 223 m2/g olan yüzey alanı 500 oC'ye gelindiğinde 20 m2/g'a kadar düşerken, m-NiCo2O4 de 300 oC'de 223 m2/g olan yüzey alanı 500 oC'ye gelindiğinde 31 m2/g'a düşer. Gözlenen difraksiyon grafikleri, NiO için NaCl kübik yapısına ve NiCo2O4 için kübik spinel yapısına indekslenmiştir. Difraksiyonların daha keskin hale gelmesi, kristallenme ve gözenek duvarının büyümesini ve dolayısıyla yüzey alanının küçülmesini göstermektedir. m-NiO ve m-NiCo2O4 filmleri elektrokromik ve su oksidasyon elektrotları olarak kullanılmak için FTO cam alttaşlar üzerine de kaplanmıştır. NiO malzemesi, dönüşümlü voltamogram, su oksidasyon prosesi ve elektrokromik dönüşümü boyunca, nanokristal NiO gözenek duvarlarının sadece birkaç atomik katmanı yükseltgenme sırasında NiOOH'e ve indirgenme sırasında ise Ni(OH)2 dönüşmektedir; böylece elektrokimyasal işlem sonucunda başlangıçta saf NiO olan malzeme Ni(OH)2 kaplı NiO (çekirdek-katman yapısı) formuna dönüşür. Yüksek yüzey alanı ve elektrokimyasal kararlılığa sahip olan ve kapasitif özelliği umut vadeden NiO ve NiCo2O4, elektrokatalizör olarak kullanılmıştır. Tafel eğrisi analizi ile nikel kobalt oksitler düşük ek potansiyellerde suyu okside edebileceği görülmüştür ve bu malzeme suyu oksijene ve hidrojene ayırma işleminde umut vadeden bir elektrokatalizördür.