Photoelectrocatalytic Water Splitting on Tungsten (VI) Oxide Films Prepared by Supercritical Deposition in a Cold-wall Reactor and by a Hydrothermal Technique

ÖZET Enerji talebi arttıkça, sürdürülebilir, temiz ve yenilenebilir yeni enerji kaynakları bulmak önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Sudan üretilen hidrojen, uzun süredir en çok umut vaad eden enerji kaynaklarından biri olarak kabul edilmektedir. Sudan hidrojen üretim teknolojilerinden biri, fotokatalitik yüzeylerde su ve güneş ışığının reaksiyona girdiği fotoelektrokimyasal su ayrıştırmadır. Bu şekilde, hem ışığı absorbe etmek hem de suyun hidrojen ve oksijene ayrılmasını katalize etmek için kullanılan bir fotoelektrot içindeki suyun foto-elektrolizi için fotoelektrokimyasal (PEC) hücre konfigürasyonları geliştirilmiştir. Birçok çalışma bu amaç için fotokatalitik materyallerin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Tungsten (VI) trioksit (WO3), uygun bir bant aralığına ve asidik koşullarda yüksek stabiliteye sahip olduğu için umut verici bir fotoelektrot materyalidir. Bu çalışmada, fotoelektrokimyasal su ayrışımı için bir iletken cam, flor katkılı kalay oksit (FTO) üzerinde WO3 filmlerin üretilmesi için alternatif bir teknik olarak süperkritik deposizyon (SCD) yöntemi geliştirilmiştir. Bu amaçla, filmlerin ısıtılmış substratlar üzerine, substrat sıcaklığından önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda olan süperkritik çözeltilerden deposizyonu için bir soğuk-duvar reaktörü tasarlanmıştır. WO3 filmleri, süperkritik CO2 içinde ağırlıkça % 0.4 tungsten hekzakarbonil (WCO)6) çözeltileri kullanılarak sentezlendi. Ek oksijen (O2) gazı olmaksızın ve çökeltinin farklı adımlarında yapılan O2 ilavesiyle dört tip sentezleme yöntemi incelendi. Her bir yöntem için 8.27 Mpa basınçta CO2 ve 300 ° C de bir ısıtma zemini sıcaklığında sentezler gerçekleştirilmiştir. FTO yüzeyinin kaplanması, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını analizi ile doğrulanmıştır. SEM sonuçları, üretilen filmlerin çok ince (muhtemelen büyük olasılıkla 100 nm'den az) olduğunu gösterdi. Bazı durumlarda, kesitsel görünümden elde edilen SEM analizi, numunelerin bazı kısımlarında tamamlanmamış film büyümesi olduğunu gösterdi. WO3 filmlerinin yapısı, X-ışını kırınım spektrumlarının analiz sonuçlarından, farklı bir tungsten durumu olan, monoklinik WO3 ve bilinmeyen bir tungsten oksit türü fazı olarak belirlenmiştir. Fotoelektrokimyasal karakterizasyon, 1 M sülfürik asit çözeltisi (H2SO4) içinde 1.0 güneş AM 1.5 G'de bir ışık tutucu olarak % 10 hacim metanol ile ve methanolsuz kullanıldıklarında ışık altında döngüsel voltametri yöntemiyle gerçekleştirildi. En iyi foto-akımı, 1 M H2SO4 içinde, deposizyon başlamadan önce oksijen ilave edilerek üretilen filmden 1.23 V'de 0.0225 mA/cm2 olarak elde edildi. Elektrotata delik tutucu eklenmesi ile foto-akım aktivitesinde artış gözlemlendi. Geleneksel yöntemle sentezlenen filmler ile yeni geliştirilmiş süperkritik deposizyon arasında karşılaştırma yapmak için, WO3 filmlerinin hidrotermal sentezi gerçekleştirilmiştir. Filmler, FTO substratında doğrudan büyüme ve WO3 tozunun bir kolloidal çözeltisinin damla dökülmesiyle sentezlenmiştir. Post kalsinasyon ve hidrotermal reaksiyon periyodunun film yapısı ve morfolojisi üzerindeki etkisi araştırıldı. En iyi yöntem 6 saat reaksiyon süresi ve 1 saat 500 ° C'de tavlama olarak belirlenmiştir. En yüksek foto-akımı, damla dökümle üretilen filmden 1 M H2SO4 içinde 0.76 mA/cm2 olarak elde edildi.