Plasmonik sistemlerde iyileştirilmiş fotokatalitik su ayrıştırma ile hidrojen üretimi
Hydrogen production via enhanced photocatalytic water splitting in plasmonic systems
Yazar: MOHAMMED ALFATIH SALAH HAMZA HAMID MOHAMMED ALFATIH SALAH HAMZA HAMID
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokatalizör = Electrocatalyst

Özet:
Suyun ayrıştırılması ile hidrojen üretimi, enerji problemlerini çözebilecek olağanüstü bir süreç
olarak her zaman kimyacıların ilgisini çekmiştir. Fujishima ve Honda'nın (1972) TiO2 yarı
iletkeni üzerindeki çalışmaları, hidrojen üretiminin tarihsel sürecinde başlangıç olarak kabul
edilmektedir [1]. Özellikle 1970'li yıllardaki petrol krizi sonrası bu çalışmaları büyük ilgi
toplamıştır. Fotokatalitik sistemlerde, güneş spektrumunun görünür alan kısmını (enerjetik payı
açısından %40-55) kullanılabilen, pratik, etkin, kararlı ve ekonomik olan yarı iletken
fotokatalitik sistemlerin geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir.
Bu tez kapsamında, CdS ve ZnS temel referans fotokatalizör adayları olarak seçilmiştir. CdS
ve ZnS'ün faz farklarının, ve farklı kristal-yapılar içeren nano boyuttaki yapıların katalitik
aktiviteye ve kararlılığa etkisi çalışılmıştır. Bu bilgi ışığında defekt yapıya sahip WZ/ZB
(Vurtzite/Zinc-blend) ikilileri CdxZn1-xS katı çözeltisi üzerinde nano boyutlarda
sentezlendiğinde daha etkin bir fotokatalizör elde edildiği deneysel olarak kanıtlanmıştır.
Sentez sürecini optimize ederek, elde edilen Cd0.5Zn0.5S; ulaşılan en yüksek H2 üretim oranı,
%2,98'lik bir görünür kuantum verimi ve 850 μmol(h.gcat)-1 olarak hesaplanmıştır.
Elektron-boşluk yük ayrıştırılmasını iyileştirmek için nano boyutta (2D) sentezlenen MoS2
temelli metal sülfürler katkı olarak kullanılmıştır. Optimum sentez şartlarında elde edilen MoS2
katkılı Cd0.5Zn0.5S örnekleri için ulaşılan en yüksek H2 üretim oranı, %6,45'lik bir görünür
kuantum verimi ve 1843 μmol(h.gcat)-1 olarak hesaplanmıştır.
Nano boyutta hazırlanan CdxZn1-xS ve MoS2-CdxZn1-xS katı çözeltilerine hidrotermal yöntemle
Ni ve Ag katkılanması sonucu "plazmonik etki" elde edilmiştir. Bu plazmonik etkinin de
fotokatalitik aktiviteyi iyileştirme ve kararlılığı artırma yönünde pozitif etki sağladığı
görülmüştür. Cd0.5Zn0.5S üzerine plazmonik Ni nanoparçacıkları yüklendiğinde %5,24'lük bir
görünür kuantum verimi ve 1496 μmol(h.gcat)-1 bir H2 üretim hızına ulaşılmıştır. Plazmonik Ag
nanoparçacıkları yüklendiğinde ise %8,60'lık bir görünür kuantum verimi ve 2458 μmol(h.gcat)-
1 bir H2 üretim hızı elde edilmiştir. Buna ek olarak, plazmonik Ag nano parçacıkları
yüklendiğinde ise %10,85'lik bir görünür kuantum verimi ve 3100 μmol(h.gcat)-1 H2 üretim hızı
elde edilmiştir.

Abstract:
Hydrogen production via photocatalytic water splitting, as an extraordinary process that could
solve energy problems, has always attracted the interest of chemists. The development of
practical, efficient, stable, and economic semiconductor photocatalytic systems that can use the
visible part of the solar spectrum (40-55% in terms of energy share) is of great importance in
photocatalytic systems.
In this thesis, CdS and ZnS were selected as basic references photocatalyst candidates. The
effect of phase differences and crystal structure variations on the catalytic activity and stability
of nanoscale structures was studied. In the light of this information, more efficient novel
nanocrystal solid solutions of twinned wurtzite/zinc-blende, CdxZn1-xS, having rich sulfur
vacancies were synthesised. By optimizing the synthesis process, the obtained solid solution of
Cd0.5Zn0.5S exhibited a higher photocatalytic performance with a 2.98% apparent quantum yield
and 850 μmol(gcat.h)-1 photocatalytic activity. Nanoscale (2D) MoS2-based metal sulfides were
used as co-catalysts to improve electron-hole charge separation. The highest H2 production rate
reached for MoS2 doped Cd0.5Zn0.5S samples was 1843 μmol(gcat.h)-1 and the calculated
apparent quantum yield was 6.45%.
Ni and Ag doping via the hydrothermal method to nanoscale CdxZn1-xS and MoS2-CdxZn1-xS
solid solutions resulted into "plasmonic effect". It has been observed that this plasmonic effect
has a positive effect on improving photocatalytic activity and increasing stability of the
photocatalytic. When plasmonic Ni nanoparticles were loaded on Cd0.5Zn0.5S, an apparent
quantum yield of 5.24% and a H2 production rate of 1496 μmol(gcat.h)-1 were achieved. When
plasmonic Ag nanoparticles were loaded, an apparent quantum efficiency of 8.60% and a H2
production rate of 2458 μmol(gcat.h)-1 were obtained. In addition, an apparent quantum
efficiency of 10.85 % and a H2 production rate of 3100 μmol(h.gcat)-1 were obtained with MoS2-
CdxZn1-xS loaded with plasmonic Ag nanoparticles.