Spinel oksit örgüdeki noktasal kusur oluşumuna bağlı fotoelektrokatalitik özelliklerindeki değişimler
Changes in photoelectrocatalytic properties due to point defect formation in spinel oxide lattice
Yazar: YEŞİM AKBABA
Danışman: PROF. DR. MUSA MUTLU CAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu çalışmada H2 üretim performansı yüksek olması hedeflenen foto katot (p-tipi yarıiletken) malzemeler üretildi. Spinel oksit yapıların atomlarının kristal örgüdeki konumlarına bağlı fotokatalitik performansları incelendi. Spinel oksit yapılar sitrik asit kullanılarak sol-jel tekniğiyle sentezlendi. CoGa2O4, CoAl2O4 ve Co(Gax,Al1-x)2O4, (x=0,5, 0,25 ve 0,75) katkılı spinel oksit yapılar toz şeklinde üretildi. Termal analiz olan TG/DSC/DTG sonuçları incelenerek sol-jel sonrası oluşan kalıntı toz ürünler 500oC, 800oC, 1000oC ve 1200oC'de kül fırında ısıl işleme tabi tutuldu. Üretilen tozların karakteristik pikleri XRD analizinde incelendi. Sentezlenen spinel oksit yarıiletkenlerin optik geçirgenlik spektrumları UV-görünür bölge spektroskopisi kullanılarak elde edildi. Spektrumların analizleri yapılarak, spinel oksit yapılardaki elektronik enerji seviyeleri arasında izinli geçişler belirlendi. Ayrıca Kubelka- Munk Eşitliği yardımıyla da yarıiletkenlerin yasak enerji bant aralıkları hesaplandı. XPS kullanılarak nano kristal malzemenin yapısal bilgileri tayin edildi. SEM mikro-görüntüleri alındı. EDX ile kantitatif elementel analizleri yapıldı.
800oC'de sentezlenen toz örneklerine Fullprof programı kullanılarak Rietveld analizi yapıldı. Fd-3m (227) uzay grubuna ait olan toz ürünlere yapılan analizde Co tetrahedral boşluğa yerleştirildi. Al ve Ga atomları ise oktahedral ve tetrahedral boşluklara yerleştirildi. Oktahedral ve tetrahedral boşlukları işgal olasılıkları analiz edildi. Çoklu fazda yapılan Rietveld analiz sonuçları gösterildi. Ga katkı oranı arttıkça 'a' parametresinin de arttığı gözlemlendi. Ayrıca tüm örneklerin değişen sıcaklıkta enerji bant aralıkları belirlendi.
CoAl2O4, CoGa2O4, Co(Ga0,5,Al0,5)2O4, Co(Ga0,75,Al0,25)2O4 ve Co(Ga0,25,Al0,75)2O4  toz örnekleri ile PVA polimeri kullanılarak bulamaç hazırlandı. Hazırlanan bulamaç şerit döküm yöntemiyle kuvartz/ITO üzerine kaplandı. Kurutma prosesinden sonra silindirik fırında formik gaz ile 600oC de ısıl işlem uygulandı. Üretilen ince filmler XRD, UV-görünür bölge spektroskopisi kullanılarak yapısal ve optik geçirgenlik analizleri yapıldı. İnce filmlerin harici kuantum verimliliği ölçümleri alındı.

Abstract:
Photocathode (p-type semiconductor) materials aimed to have high H2 production performance were produced. Photocatalytic performances of spinel oxide structures related to the positions of their atoms in the crystal lattice were examined. Spinel oxide structures were synthesized by chemical method using citric acid. CoGa2O4, CoAl2O4 and Co(Gax,Al1-x)2O4, (x=0,5, 0,25 and 0,75) doped spinel oxide structures were produced in powder form. Thermal analysis TG/DSC/DTG results were examined and the residual powder products formed after sol-gel were heat treated at 500oC, 800oC, 1000oC and 1200oC. The characteristic peaks of the produced powders were examined in XRD analysis. Optical transmittance spectra of the synthesized spinel oxide semiconductors UV-obtained using visible region spectroscopy. By analyzing the spectra, the allowed transitions between the electronic energy levels in spinel oxide structures were determined. Structural information of the nanocrystal material was determined using XPS. SEM micro- Images were taken. Quantitative elemental analyzes were performed with EDX.
Rietveld analysis was performed on powder samples synthesized at 800oC using the Fullprof program. In the analysis of powder products belonging to the Fd-3m (227) space group, Co was placed in the tetrahedral space. Al and Ga atoms were placed in octahedral and tetrahedral spaces. Occupancy probabilities of octahedral and tetrahedral cavities were analyzed. Fullprof analysis results performed in multiple phases were shown. It was observed that as the Ga doping ratio increased, the a parameter also increased. Additionally, the energy band gaps of all samples at varying temperatures were determined.
Slurry was prepared using PVA polymer with powder samples of CoAl2O4, CoGa2O4, Co(Ga0,5,Al0,5)2O4, Co(Ga0,75,Al0,25)2O4, Co(Ga0,25,Al0,75)2O4. The prepared slurry was coated on quartz/ITO by strip casting method. Then heat treatment was performed with formic gas in a cylindrical oven at 600oC. Structural and optical transmittance analyzes of the produced thin films were performed using XRD and UV-visible spectroscopy. Measurements of the external quantum efficiency of the thin films were taken.