Titanyum dioksit nanotüplerin fotoelektrokimyasal etkinliklerinin incelenmesi
Investigation of the photoelectrochemical activity of titanium dioxide nanotubes
Yazar: İLKNUR KÜTÜKÇÜ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Anodik oksidasyon = Anodic oxidation ; Fotoakım = Photocurrent ; Fotoelektrokimyasal yöntemler = Photoelectrochemical methods ; Nanotüp = Nanotube

Özet:
Fotoelektrokimyasal sistemler güneş enerjisini hidrojene dönüştürmek için geliştirilmekte olan ve sulu bir elektrolit ile temas halinde bulunan bir yarı iletken elektrottan oluşan sistemlerdir.Yarı iletken bant aralığından daha yüksek enerjiye sahip ışık ile uyarıldığında elektrot içerisinde ışık etkisi ile yük ayrılması oluşur ve bu proses hücre içerisinde fotoakım ile sonuçlanır. Bu fotoakım suyu ayrı elektrot yüzeylerinde oksijen ve hidrojene ayrıştırır. Bir fotoelektrokimyasal sistem içerisinde güneş ışığı ve suyu kullanarak hidrojen üretimi alternatif ve yenilenebilir enerji elde etmek için en ümit verici metottur. Su ve güneş ışığından hidrojen üretiminde fotoelektrokimyasal hücre kullanılmasının en büyük problemi düşük fotoanot etkinliğidir.TiO2 nanotüp, yüksek etkinliği, fotokorozyona karşı dayanıklığı, kimyasal stabilitesi, düşük maliyeti, çevresel uyumluluğu ve yüksek yüzey alanı sebebiyle fotoelektrot olarak oldukça ilgi çekicidir. TiO2 geniş bant aralıklı yarı iletken olduğu için güneş ışığının UV bölgesini absorplar. Fotoelektrokimyasal etkinliği arttırmak için araştırmacılar TiO2'nin kristalit boyutunu değiştirerek elektriksel özelliklerini iyileştirmek, ışık absorpsiyonunu görünür ışık bölgesine genişletmek için metal/ametal iyon ile katkılandırma veya daha dar bant aralığına sahip yarı iletken ile birleştirmek gibi çeşitli stratejiler geliştirmişlerdir.Bu tez çalışmasında TiO2 nanotüpler Ti folyonun anodik oksidasyonu ile üretilmiş, ışık altında ve karanlıkta doğrusal taramalı voltametri, dönüşümlü voltametri gibi voltametri teknikleri ile fotoelektrokimyasal etkinlikleri incelenmiştir. TiO2 nanotüplerinin aktivite ve ışık absorpsiyon özellikleri metal-sülfür bileşikleri katkısı ile iyileştirilmiştir. Bu malzemelerin yapısal ve ışıksal özellikleri SEM, XRD ve DRS analizleri kullanılarak karakterize edilmiştir.TiO2 nanotüpler SILAR (Sıralı İyonik Tabaka Adsopsiyonu ve Reaksiyonu) yöntemi kullanılarak ZnS, NiS ve CdS katkıları ile modifiye edilmiştir. TiO2 nanotüplerin modifikasyonu görünür ışık absorpsiyonunda ve fotoakım cevabının yükselmesi ile sonuçlanmıştır. Katkısız TiO2 nanotüplerden elde edilen en yüksek fotoakım yoğunluğu 130 µA/cm2'dir. CdS/TiO2 nanotüp görünür ışık altında en yüksek fotoakım yoğunluğunu göstermiştir ve diğer metal-sülfür bileşikleri ile aynı konsantrasyondaki CdS/TiO2 nanotüplerden 3,1 mA/cm2 akım yoğunluğu elde edilmiştir. Bu sebeble TiO2 nanotüp farklı CdS konsantrasyonlarında modifiye edilmiştir ve fotoelektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Ayrıca katkısız TiO2 nanotüp ve CdS/TiO2 nanotüplerin taşıyıcı yük yoğunlukları Mott-Schottky analizi ile belirlenmiştir.

Abstract:
Photoelectrochemical systems are the system which being developed for the conversion of solar energy into hydrogen and consist of a semiconductor electrode in contact with an aqueous electrolyte. When thesemiconductor is irradiated with light greater than its bandgap, photoinduced charge separationoccurs in the electrode and this process result in a photocurrent in the cell. This photocurrent splits water into hydrogen and oxygen at separate electrode surfaces. Generation of hydrogen using solar energy and water in a photoelectrochemical system is the most promising method to acquire alternative and renewable energy. A major challenge to the use of photoelectrochemical cells in the production of hydrogen from water and solar energy is the low photoanode efficiency.TiO2 is especially attractive as a photoelectrode because of its high efficiency, resistance to corrosion, chemical stability, environmental compatibility and its high surface area. Because TiO2 is a large band gap it absorbs only solar light in the UV region. To improve the photoelectrochemical efficiency, researchers have adopted different strategies such as changing the electrical properties of TiO2 by varying the crystallite size, doping TiO2 with metal/nonmetal ions or coupling it with a low band gap semiconductor material to extend the optical absorption into visible region.In this thesis titanium dioxide nanotubes fabricated by anodic oxidation of titanium foil and investigated photoelectrochemical activity by voltametry technics such as lineer sweep voltametry, cyclic voltametri under light and dark. Light absorption properties and activity of TiO2 nanotubes enhanced by doping metal-sulphur composites. The structural and optical properties of these materials were characterized by using SEM, XRD and DRS analysisTiO2 nanotube arrays are modified with ZnS, NiS and CdS doping by using SILAR method (Successive İonic Layer Adsorption and Reaction). Modification of the TiO2 nanotubes resulted in an increase in the visible light adsorption and increase in photocurrent response. The highest photocurrent density is 130 µA/cm2 obtained from intrinsic TiO2 nanotubes. CdS/TiO2 nanotube showed the highest fotocurrent density under visible irradiation and 3,1 mA/cm2 photocurrent density were obtained from CdS/TiO2 nanotubes at same concentration of other metal-sulphur compounds. Therefore TiO2 nanotubes were modified at different concentration of CdS. Also charge carrier density of intrinsic TiO2 nanotube and CdS/TiO2 nanotubes were determined by Mott Schottky plot.