Farklı yarıiletken nanoyapılar ile suyun fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal ayrışma reaksiyonun incelenmesi
Investigation of photocatalytic and photoelectrochemical water splitting with different semiconductor nanostructures
Yazar: AYŞE ÇİÇEK YILDIZ
Danışman: DOÇ. SONER ÇAKAR
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Fotoelektrokimyasal yöntemler = Photoelectrochemical methods

Özet:
Dünya üzerinde enerji ihtiyacı günden güne artmaktadır. Enerjiye olan ihtiyacın artmasına karşın fosil yakıtların hızla tükeniyor olması nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı son yıllarda önem kazanmıştır. Hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji kaynaklarının arasında en dikkat çekici enerji üretim yöntemidir. Hidrojenin depolanmasındaki maliyet nedeniyle hidrojenin farklı üretim teknikleri geliştirilmektedir. Hidrojenin fosil yakıtlardan elde edilen enerji ile üretilmesine alternatif oluşturabilecek sistemler üzerine çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Fotoelektrokimyasal olarak sudan hem H2 hem de O2 üretimi çevre dostu ve yenilikçi bir yaklaşımdır. 

Bu tez çalışmasında farklı özelliklere sahip olan, metal vanadat (BiVO4, CeVO4), metal oksit (TiO2, ZnO) ve metal kalkojenit (CuS, ZnS) tipi nanoyapıların hidrotermal yöntem ile sentezi gerçekleştirildi. Bu farklı özelliklerdeki nanoyapılar ile oluşturulacak n-tipi ve/veya p-tipi fotoelektrokimyasal sistemler ITO (indiyum katkılı kalay oksit) subsratlar üzerine kaplanarak suyun ayrışması reaksiyonuna etkileri incelendi. 

Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sonucunda, fotokatalitik yötem ile H2 üretimi fotoelektrokimyasal yöntem ile de O2 üretimi çalışmaları gerçekleştirilerek özellikleri bakımından farklı yarıiletken yapılar incelendi. Hem hidrojen eldesi reaksiyonu (HER) hem de oksijen eldesi reaksiyonu (OER) verimlerinin arttırılmasına yönelik farklı bant aralıklarına sahip ve farklı kimyasal etkinliğe sahip yarıiletkenlerden oluşturulan kompozit sistem çalışmaları gerçekleştirildi. Yukarıda da bahsedildiği üzere yarıiletken esaslı nanoyapıların sentezinde hidrotermal yöntem kullanılmıştır. Sentezlenen bu nanoyapıların karakterizasyonlarında XRD, FE-SEM ve DRS teknikleri kullanılmıştır. OER ölçümleri için ITO cam üzerine bu yarıiletken sistemler döndürerek kaplama cihazı yardımıyla ince film şeklinde kaplanmıştır. Fotokatalitik ve fotoelektrokimyasal etkinliğinin karakterizasyonlarının ölçümleri güneş simülatörü altında güneş ışığı yardımıyla gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The need for energy in the world is increasing day by day. Although the need for energy has increased, the use of renewable energy sources has gained importance in recent years due to the rapid depletion of fossil fuels. Hydrogen energy is the most remarkable energy production method among renewable energy sources. Due to the cost of storing hydrogen, different production techniques of hydrogen are being developed. Studies on systems that can provide alternatives to the production of hydrogen with energy obtained from fossil fuels have accelerated in recent years. Photoelectrochemical production of both H2 and O2 from water is an environmentally friendly and innovative approach. 

In this thesis study, nanostructures with diverse properties, including metal vanadates (BiVO4, CeVO4), metal oxides (TiO2, ZnO), and metal chalcogenides (CuS, ZnS), were synthesized via the hydrothermal method. The n-type and/or p-type photoelectrochemical systems to be created with nanostructures with these different properties were coated on ITO (indium doped tin oxide) substrates and their effects on the water dissociation reaction were examined.

As a result of the experimental studies, different semiconductor structures were examined in terms of their properties by studying H2 production with the photocatalytic method and O2 production with the photoelectrochemical method. Composite system studies consisting of semiconductors with different band gaps and different chemical activities were carried out to increase both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) efficiencies. As mentioned above, the hydrothermal method was used in the synthesis of semiconductor-based nanostructures. XRD, FE-SEM and DRS techniques were used in the characterization of these synthesized nanostructures. For OER measurements, these semiconductor systems were coated on ITO glass as a thin film using a spin coating device. Characterization measurements of photocatalytic and photoelectrochemical activities were carried out under a solar simulator with the help of sunlight.