Fabrication of bismuth-based photocatalytic heterojunctions for hydrogen generation
Creators: name: Ayala Ayala, María Teresa
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2022
Subjects: subject: bismuth
subject: hydrogen
subject: flame spray
subject: reaction mechanism
subject: methanol oxidation
subject: wismut
subject: Methanol-oxidation
subject: Reaktionsmechanismus
subject: Flammenspray
subject: Hydrogeno
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::540 | Chemie

description: Das schnelle Bevölkerungswachstum und die Industrialisierung der letzten Jahrzehnte haben zu einer zunehmenden Umweltverschmutzung und einer hohen Nachfrage nach nicht erneuerbaren Energiequellen aus fossilen Brennstoffen geführt. Wasserstoff ist ein sauberer Energieträger, der aus der Dissoziation von Wasser und Sonnenenergie, einer erneuerbaren Quelle, gewonnen werden kann. Seit der Entdeckung der Wasserstoffentwicklung durch photoelektrochemische Wasserspaltung an n-Typ-TiO2-Elektroden wird die auf Halbleitern basierende photokatalytische Wasserspaltungstechnologie zur Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie als einer der wichtigsten Ansätze zur Lösung der globalen Energiekrise angesehen. Die Entwicklung von Halbleiter-Photokatalysatoren ist daher in letzter Zeit Gegenstand erheblicher Forschungsanstrengungen gewesen. Die Synthese neuer, im sichtbaren Licht aktiver Photokatalysatoren mit hoher photokatalytischer Effizienz ist eine der größten Herausforderungen, bei der das Hauptproblem die schnelle Elektron-Loch-Rekombination ist. Das Design und die Herstellung von halbleitenden Heteroübergängen stellen eine Lösung für den Ladungsträgertransfer und die Trennung dar, um Reduktions- und Oxidationsreaktionen für die H2-Produktion zu erreichen. In der vorliegenden Arbeit wurden mit sichtbarem Licht betriebene Wismut-Heteroübergänge, die durch mechanisches Fräsen und thermisches Flammspritzen hergestellt wurden, für die photokatalytische Entwicklung von H2 in Gegenwart von Opferstoffen eingesetzt. Die Wirkung der Verarbeitungsparameter führte zu strukturellen Veränderungen, z.B. Gitterparameter, Kristallitgröße und Bindungsenergie, und damit zu Veränderungen ihrer optischen Eigenschaften, z.B. des Photolumineszenzsignals und der Bandlückenenergie, um die Oberflächenmodifikation und die Kopplung zwischen Halbleitern zu verstehen. Die Analyse der physikalisch-chemischen Eigenschaften dient dazu, den gewünschten Weg zur Synthese von Bi-basierten Heteroübergängen zu finden, die eine niedrige photogenerierte Elektron-Loch-Paar-Rekombination und eine hohe Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums nachahmen. In dieser Arbeit schlagen wir photokatalytische Reaktionsmechanismen für die H2-Evolution vor, die auf dem Bandkantenpotential jedes Halbleiters, der Bestimmung der photogenerierten Ladungsträger und der Erzeugung freier Radikale, gemessen durch paramagnetische Elektronenspektroskopie, basieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aufbau eines Heteroübergangs in einer gestaffelten Technik wünschenswert ist, um den Ladungsträgertransfer und die Trennung zu verbessern. Die Stabilität des Halbleiters und einige physikochemische Eigenschaften wie Partikelgröße und Oberfläche dienen dazu, die Aktivität des Materials zu verbessern.
description: Rapid population growth and industrialization in recent decades has led to increased environmental pollution and a high demand for non-renewable energy sources from fossil fuels. Hydrogen is a clean energy fuel that can be obtained from the dissociation of water and solar energy, a renewable source. Since the discovery of hydrogen evolution through photoelectrochemical water splitting on n-type TiO2 electrodes, semiconductor-based photocatalytic water splitting technology to produce hydrogen using solar energy has been considered as one of the most important approaches to solve the global energy crisis. Therefore, the development of semiconductor photocatalysts has recently been the subject of considerable research efforts. The synthesis of new visible-light active photocatalysts with high photocatalytic efficiencies is one of the main challenges in which the major problem is the fast electron-hole recombination. The design and fabrication of semiconducting heterojunctions represent a solution to address charge carrier transfer and separation to achieve reduction and oxidation reactions for H2 production. In the present work, visible light driven bismuth heterojunctions synthesized by mechanical milling and flame thermal spraying process were employed for the photocatalytic evolution of H2 in the presence of sacrificial agents. The effect of processing parameters induced structural modifications, for instance, lattice parameter, crystallite size, binding energy and thus led to changes in their optical properties, for instance, photoluminescence signal and band gap energy, to understand the surface modification and coupling between semiconductors. The analysis of physicochemical properties serves to achieve a desired route to synthesize Bi-based heterojunctions that lead to low photogenerated electron-hole pair recombination and high absorbance in the visible range of the solar spectrum. In this work, we propose photocatalytic reaction mechanisms for H2 evolution based on the band edge potential of each semiconductor, the determination of photogenerated charge carriers and free radical generation measured by electron paramagnetic spectroscopy. The results show that the construction of a heterojunction in a staggered engineering is desirable to improve charge carrier transfer and separation. The stability of the semiconductor and some physicochemical properties such as particle size and surface area serve to enhance the activity of the material.