TiO2/ERGO nanokompozitlerin elektrokimyasal sentezi ve Mg2+ ile modifikasyonu, fotoelektrokimyasal h2 üretimi ve metilen mavisi gideriminde kullanılması
Electrochemical synthesis of TiO2/ERGO nanocomposites and modification with Mg2+, photoelectrochemical h2 production and use in methylene blue degradation
Yazar: EKİN AKYÜREK
Danışman: PROF. DR. ÜMİT DEMİR
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Fotoelektrokimyasal hidrojen gazı üretim verimini artırmak ve atık sulardan organik kirleticilerin gideriminde kullanmak amacıyla TiO2/Elektrokimyasal olarak indirgenmiş grafen oksit (ERGO) nanokompozit elektrotları, basit ve çevre dostu bir elektrokimyasal yöntemle tek kapta, tek aşamada ve eşzamanlı olarak, doğrudan FTO üzerinde büyütülerek sentezlenmiş ve yüksek sıcaklık, toksik indirgeyici ajan veya yüksek basınçlı hidrojen kullanmadan toprak alkali (Mg2+) metal katyonlarını içeren elektrolit ortamında elektrokimyasal modifikasyon (EKM) ile Ti3+ kusurları ve O boşlukları içeren nanokompozit yapılar haline getirilmiştir. EKM öncesi ve sonrasında nanokompozit elektrotların yapısal ve morfolojik özellikleri X-ışını Kırınımı (XRD), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) ile karakterize edilmiştir. Optik, elektrokimyasal ve fotoelektrokimyasal karakterizasyonlar ultraviyole-görünür difüze reflektans spektroskopisi (UV-VIS-DRS), fotolüminesans (PL), fotoakım, empedans spektrokopisi (EIS) ve açık devre potansiyeli (OCP) ölçümleriyle gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon sonuçları yüzeyde Mg(OH)2 nanoplakalarının oluştuğunu ve Mg2+ katkısının TiO2/ERGO nanokompozitinde Ti3+ kusurlarının oluşumuna neden olduğunu göstermiştir. Katkılanmış fotoelektrot, Ti3+ kusurları nedeniyle bant aralığı enerjisinde kırmızıya kayma ve gelişmiş absorbans göstermiştir. Mg(OH)2/TiO2/ERGO fotoelektrotu, fotoakım yoğunluklarında on kat artış göstererek 1,20 mA cm-2 değerine ulaşmıştır. Hidrojen üretim miktarı, harici potansiyel uygulanmadan 116 μmol cm-2 ve 1,0 V uygulanan bir potansiyelde 125 μmol cm-2 değerine ulaşmıştır. Hidrojen üretim hızları sırasıyla 22,57 μmol cm-2 h-1 ve 25,53 μmol cm-2 h-1 bulunmuştur. Ayrıca, fotoelektrotların metilen mavisinin fotoelektrokimyasal bozundurulması üzerindeki etkileri incelenmiş ve 5 saatte %98,99 oranında yüksek giderim yüzdesine ulaşılmıştır. Üretilen Mg(OH)2/TiO2/ERGO fotoelektrotu, suyun parçalanmasıyla H2 üretimi ve organik kirleticilerin bozundurulması uygulamalarında yalnızca güneş ışığı kullanılarak, herhangi bir harici potansiyele ihtiyaç duymadan üstün performans sergileyen fotokatalizörler olarak öne çıkmıştır.

Abstract:
TiO2/Electrochemically reduced graphene oxide (ERGO) nanocomposite electrodes were synthesized in a single step by a simple and environmentally friendly electrochemical method to increase the photoelectrochemical hydrogen gas production efficiency and for the removal of organic pollutants from wastewater, nanocomposite structures containing Ti3+ defects and O vacancies by electrochemical modification (ECM) in an electrolyte medium containing alkaline earth (Mg2+) metal cations without using toxic reducing agents or high pressure hydrogen. The structural and morphological properties of the nanocomposite electrodes before and after ECM were characterized by X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Optical, electrochemical and photoelectrochemical characterizations were performed by ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-VIS-DRS), photoluminescence (PL), photocurrent, impedance spectroscopy (EIS) and open circuit potential (OCP) measurements. The characterization results showed that Mg(OH)2 nanoplates were formed on the surface and Mg2+ doping caused the formation of Ti3+ defects in TiO2/ERGO nanocomposite. The doped photoelectrode showed red shift in band gap energy and enhanced absorbance due to Ti3+ defects. The Mg(OH)2/TiO2/ERGO photoelectrode showed a tenfold increase in the photocurrent densities to 1.20 mA cm-2. The amount of hydrogen production reached 116 μmol cm-2 without applying external potential and 125 μmol cm-2 at an applied potential of 1.0 V. The hydrogen production rates were 22.57 μmol cm-2 h-1 and 25.53 μmol cm-2 h-1, respectively. Furthermore, the effects of the photoelectrodes on the photoelectrochemical degradation of methylene blue were investigated and a high removal percentage of 98.99% was achieved in 5 hours. The fabricated Mg(OH)2/TiO2/ERGO photoelectrode was found to be superior photocatalysts for H2 production by water splitting and degradation of organic pollutants using only sunlight without the need for any external potential.