Nanoyapılı malzemelerin sentezlenmesi, fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal performanslarının incelenmesi

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.