Gelişmiş fotokimyasal ve fotoelektrokimyasal su ayrıştırma için modifiye edilmiş katmanlı titanatlar

Artan küresel enerji talepleri nedeniyle sürdürülebilir yeşil enerji kaynakları arayışı zorunlu hale gelirken, zararsız kaynakların en fazla potansiyel gösterdiği güneş ışığı ve sudan faydalanılıyor. Dikkate değer bir yöntem, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için güneş enerjisinin kullanılmasıdır. Sıfır karbon emisyonuyla gelecek vaat eden bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen olarak dünyanın enerji taleplerini karşılamadaki kritik rolünü vurguluyor. Güneş enerjisiyle çalışan fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal su ayrıştırma, hidrojen ve oksijen üretmek için ilgi çekici bir yöntem sunuyor. Katmanlı titanatlardaki aktif bölgeleri açığa çıkarmak için eksfoliyasyon ve iyon değiştirme yöntemlerinin yanı sıra tek atomların fotoaktif türlerle yüklenmesi gibi modifikasyonlar kullanıldı. Bu çalışmanın ilk kısmı, potasyum lityum katmanlı titanatların (KTLO) eksfoliye edilmesini ve Sn atomlarının yardımcı katalizör görevi görmesi nedeniyle tek atomlu Sn'nin katman yüzeyleri üzerinde foto-birikimini içeriyordu. Eksfoliyasyon, katmanlar arası boşlukların genişlemesini gösteren X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak doğrulanır. Eksfoliye edilmiş titanat, su ve amonyak borandan ayırt edici bir fotokatalitik hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) gösterdi. Yüzeyine Sn tekli atomlarının eklenmesi, fotokatalitik aktiviteyi önemli ölçüde artırır; bu, eksfoliye edilmiş titanatta fotoaktivitenin kabaca üç kat artışına sebep olur. Ayrıca en iyi HER aktivitesi için optimal Sn yüklemesinin gerekli olduğu da gösterilmiştir. Fotolüminesans spektroskopisi (PL) ile gösterilen kapsamlı bir araştırma, ekfsoliye edilmiş titanatın yük taşıyıcıları için daha iyi bir kullanım ömrü gösterdiğini gösterdi. Bu çalışmanın ikinci kısmı, setiltrimetilamonyum bromür (CTAB) ara katmanlı sezyum titanatın (CsTO) fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal aktivitelerine odaklandı. Katmanlar arası aralık, X-ışını kırınımıyla doğrulanan başarılı ara katmanın kanıtı olarak kullanıldı. CsTO'nun katmanlar arası mesafenin genişlemesi, morfolojik değişikliklere ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile karakterize edilen daha geniş bir yüzey alanına neden olur. Muhtemelen CTAB ile işleme, interkalasyon işlemi sırasında bir iyon değiştirme mekanizmasını tetikler, bu da Cs+ iyonlarının yer değiştirmesiyle sonuçlandı ve bu fenomen, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) analiziyle doğrulandı. N-tipi bir malzeme olarak CTAB arakatkılı CsTO numuneleri, fotokatalitik HER için yüzey elektronlarını kullanma konusunda umut verici adaylardır ve fotoelektrokimyasal oksijen evrimi reaksiyonu (OER) için fotojenere delikler kullanılır. Ara katmanlar arasındaki karbon içeriğinin yük taşıyıcı kullanımı üzerinde etkisi vardı ve fotoelektrokimyasal OER için iletken bir katman görevi görüyordu. Fotokatalitik HER bulgularıyla tutarlı olarak, OER için gerçekleştirilen doğrusal tarama voltametrisi (LSV) deneyleri, artan CTAB konsantrasyonlarıyla artan aktiviteye işaret eden benzer bir eğilim ortaya çıkardı. Genel olarak bu çalışma, yenilenebilir enerji kaynakları arayışında HER ve OER için çıkarımlarla birlikte, güneş enerjisiyle etkili su ayrıştırma için değiştirilmiş katmanlı titanat fotokatalizörlerin potansiyelini vurgulamaktadır.