چکیده

در این تحقیق، ابتدا لایه ای نازک از آرایه منظم نانولوله های تیتانیوم دی اکسید (TNA) توسط فرآیند اکسیداسیون آندی با ولتاژ اعمالی ۶۰۷ به مدت ۲۰۰ دقیقه روی ورقه تیتانیوم (Ti) تحت شرایط مختلف (تک مرحلهای و دو مرحله ای)، لایه نشانی گردید. محلول الکترولیت برای انجام فرآیند اکسیداسیون آندی، حاوی ۹۰٪ حجمی اتیلن گلیکول (EG)، ٪۱۰ حجمی آب مقطر (M ،(DI ۰/۱ آمونیوم فلوراید (NH4F) و چند قطره اسید فسقریک (۱M (H3PO4 برای تنظیم pH در محدوده ۵/۶، انتخاب گردید. همچنین نمونه های سنتز شده، تحت عملیات حرارتی در دمای ۵۰۰C ( و با آهنگ پخت “۹/۵Cmin) بر طبق تحلیل نتایج پراش اشعه ایکس (XRD)، ساختار بلوری کسب نمودند. بر اساس تحلیل مشاهدات آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی ( SEM)، طول نانولوله ها و قطر درونی آنها برای نمونه های حاصل از سنتز دو مرحله ای به ترتیب برابر mلا ۳/۷ و nm ۳ + ۱۰۶ اندازهگیری شدند. در ادامه، نانوذرات مسی اکسید (Cu2O) به روش رسوب گذاری الکتریکی (El CCLTOdepOSition) بر سطح این نمونه ها، لایه نشانی شدند. این روش با در نظر گرفتن ۷ پارامتر موثر یعنی DH الکترولیت، غلظت سولفات مس و لاکتیک اسید، نسبت غلطت ها، ولتاژ رسوب گذاری الکتریکی، دمای لایه نشانی و مقدار بار الکتریکی لایه نشانی شده، همراه بوده که در نهایت با بهینه سازی و کنترل این هفت پارامتر، ساخت نانو ساختار بهینه شده Cu2O/TNA انجام گردید. به منظور بهینه سازی این پارامترها، خواص فوتوالکتروشیمیایی (PEC) نموته های سنتز شده درون سلول PEC حاوی محلول الکترولیت Na2SO4 ۰/۰۵M تحت تابش نور مرئی خورشید آزمایشگاهی (لامپ Xe) با شدت ۳۰mW/cm، قرار گرفتند. مطابق نتایج بدست آمده، مقادیر بهینه برای پارامترها چنین تعیین گردید: چگالی جریان نوری تولید شده توسط فوتوکاتالیست بهینه شده Cu2OTNA تقریبا برابر Jph=۰/۳۲۰ mA/cm (تحت ولتاژ بایاس ۰/۵۷) بدست آمد که، این مقدار حدود ۲۴ برابر مقدار چگالی جریان نوری اندازه گیری شده برای نانو ساختار TNA است. در خاتمه، پس از تحلیل داده های بدست آمده، نتایج با تحقیقات گزارش شده اخیر مقایسه و بررسی شدند.

کلمات کلیدی: آرایه نانولولههای تیتانیوم دی اکسید، نانوذرات اکسید مسی (I)، لایه نشانی به روش رسوب گذاری الکتریکی، سلول فوتوالکتروشیمیایی، تولید هیدروژن،

فهرست مطالب

فصل اول:هیدروژن سوختی پاک

۱. ۳. روشهای تولید هیدروژن

هم اکنون روش های متنوعی برای تولید هیدروژن موجود می باشد ۷]. برای تفکیک و دسته بندی این روش ها، معیارهای متنوعی مانند نوع خوراک مورد استفاده، تامین منبع حرارتی یا انرژی اولیه مورد نیاز و نوع مکانیسمهای تولید، مطرح هستندا ۱ او ا۱۲ ا. روش های تولید هیدروژن را از این منظر می توان در دو دسته کلی تجدید ناپذیر (انواع سوخت های قسیلی) و تجدیدپذیر (آب و زیست توده) تقسیم کرد. تولید هیدروژن از این مواد با روش های شیمیایی، بیوشیمیایی، الکتریکی، فوتوشیمیایی و ترموشیمیایی امکان پذیر است. ودر ادامه برای ارزیابی و مقایسه، ابتدا چندین روش را به اختصار توضیح داده و سپس با در نظر گرفتن معیارهایی همچون مقدار CO2 انتشار یافته، به مقایسه آنها خواهیم پرداخت. لازم به ذکر است که، روش اول برای تولید هیدروژن از منابع فسیلی و مابقی از منابع تجدید پذیر استفاده می شوند

۱. ۲.۳. اکسیداسیون جزئی هیدروکربنها(POX)

در این روش ابتدا زنجیره های هیدروکربنی با اکسیژن واکنش داده و منجر به شکست آنها و تولید یک گاز ترکیبی می شوند که بخش اعظم آن کربن مونو اکسید (CO) و هیدروژن (H2) میباشد. این واکنشی قادر است در حضور یک کاتالیست و یا بدون حضور آن روی دهد. بعد از تولید گاز ترکیبی، از واکنش (WGS) برای کاهش مقدار مونواکسیدکربن استفاده می شود. مرحله نهایی فرایند هم عبارت است از، جداسازی و تخلیص گازهای کربن دیاکسید و هیدروژن به منظور ذخیره سازی.

۳.۱. ۳. گازی سازی زغال سنگ (CG)

در این روش، ابتدا پودر زغال را در دماهای بالا با اکسیژن ترکیب نموده که نتیجه، یک گاز ترکیبی نارس “” می باشد. مرحله بعد، فرآیند سولفورزدایی میباشد که گاز حاصل بعد این فرآیند، یک گاز ترکیبی خواهد بود. این گاز نیز به منظور افزایش کسر مولی هیدروژن و خالص سازی آن، نیازمند فرآیند (PSAوWGS) میباشد.

۱. ۴. ۲. هزینه های عملیاتی، تعمیر و نگهداری (O &M)

منظور از این هزینه، کلیه هزینه های مربوط به بهره برداری و تعمیر و نگهداری هر یک از واحدهای تولید هیدروژن می باشد. که در آن هزینه های دستمزد، تعمیر و نگهداری همه تجهیزات واحد تولید هیدروژن منظور میگردد. هزینه های عملیاتی، تعمیر و نگهداری بر حسب دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم H2 تولیدی در روز تعیین می شود که دادههای مربوطه برای تکنولوژی های موجود در جدول ۱ – ۱ برای سال پایه ۱۹۹۳ گزارش شده است

۴.۱. ۳. هزینه سرمایه گذاری اولیه

معیار سوم سنجش، هزینه سرمایه گذاری اولیه برای هر یک از واحدهای تولید هیدروژن است که به عنوان بزرگترین بخش هزینهها مطرح میشود. این هزینه عمدتا به هزینه خرید تجهیزات، حمل و نقل، ساخت و راه اندازی واحد تولید هیدروژن مربوطه اشاره دارد. دادههای مربوط به سرمایه گذاری برای تکنولوژی های موجود در جدول ۱- ۱ بر حسب دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم و H تولیدی در روز برای سال پایه ۲۰۰۵ گزارش شده است.لازم به ذکر است که در ستون هزینه سرمایه گذاری در جدول ۱ – ۱، هزینههای مربوط به سه تکنولوژی(W-EL) ،(PV-EL و (H-EL)، از ادغام دو هزینه سرمایه گذاری مربوط به واحدهای مجزای a) واحد تامین انرژی الکتریکی اولیه و b) واحد الکترولیز بدست آمده اند (به ۵۳۰۱ تا ۷:۳۰۱ مراجعه گردد).

۵.۱. فرآیند تولید هیدروژن به روش فوتوالکتروشیمیایی PEC

همانطور که در شکل ۱- ۳ نشان داده شده است، ابتدا فوتونها توسط فوتو آند جذب شده و منجر به تولید زوج الکترون – حفره می گردند. الکترون و حفره تولید شده در کسری از ثانیه ( ۱۰ ثانیه) به فصل مشترک فوتواند و الکترولیت (آب) مهاجرت مینمایند. در ادامه نیز حفره های تولیدی به عنوان عامل اکسایش، آب را اکسید نموده (۱-۷) و منجر به تولید یون هیدروژن و پخش آنها در فاز مایع می شوند. الکترونها نیز به عنوان عامل کاهنده در مدار نشان داده شده به سوی کاتد انتقال مییابند و با احیای یونهای هیدروژن روی سطح کاتد، H2 تولید می کنند (۱-۸). بنابراین در این روش برخلاف روشی (PC)،مکان تولید مولکولهای H2 (کاتد) از مکان تولید مولکولهای O2 (فوتوآند) جدا بوده و در نتیجه به آسانی قابل جمع آوری می باشند

1-1-مقدمه 2

1-2-معرفی هیدروژن 4

1-3-روشهای تولید هیدروژن 5

1-3-1-روش بازیابی حرارتی متان 6

1-3-2-اکسیداسیون جزئی هیدروکربن ها 7

1-3-3-گازی سازی زغال سنگ 7

1-3-4-گازی سازی زیست توده 7

1-3-5-واحد ترکیبی فوتوولتاییک-الکترولیز 8

1-3-6-واحد ترکیبی توربین بادی-الکترولیز 8

1-3-7-واحد ترکیبی هیدروپاور-الکترولیز  8

1-3-8-الکترولیز آب توسط فوتوکاتالیست تحت تابش نور 8

1-3-8-1-تولید هیدروژن به روش فوتوکاتالیستی 8

1-3-8-2-تولید هیدروژن به روش فوتوالکتروشیمیایی PECا     10

1-4-مقایسه وارزیابی روشهای تولید هیدروژن 11

1-4-1-انتشار کربن دی اکسید 12

1-4-2-هزینه های عملیاتی،تعمیر ونگهداری 13

1-4-3-هزینه سرمایه گذاری اولیه 13

1-4-4-هزینه مواد اولیه 14

1-4-5-هزینه تولید هیدروژن 14

1-4-6-ارزیابی ومقایسه تکنولوژی های به روشAHPا    14

1-5-فرایند تولید هیدروژن به روش فوتوالکتروشیمیاییPECا    15

1-6-عناصر فیزیکی یک سلول PEC سه الکترودی 16

1-6-1-جنس الکترود مرجع 17

1-6-2-جنس فوتوآند 18

1-6-3-جنس کاتد(الکترود کمکی) 19

1-6-4-جنس الکترولیت 20

1-7-بازده سلول PECا 20

1-7-1-بازده کوانتومی خارجی 20

1-7-2-بازده کوانتومی داخلی 21

1-8-نتیجه گیری 22

الگوی نمایش تولید فروتوکاتالیستی هیدروژن

الگوی نمایش تولید فروتوکاتالیستی هیدروژن

فصل دوم:نانوساختار TNA،سنتز،خواص وکاربردهای آن

۲. ۱. مقدمه

بر اساس نتایج تحقیقات گزارش شده، مواد در ابعاد نانومتری خواص متفاوتی نسبت به خواص توده ای از خود نشان می دهند که این امر زمینه تحقیقات جدید و بسیار زیادی را فراهم آورده است. یکی از این زمینه های تحقیقاتی، تولید نانو ساختارهای حاصل از مولکول تیتانیوم دی اکسید (TiO2) در ابعاد نانومتری است. دلیل آن، خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب TiO2 میباشد که باعث شده است کاربردهای بسیار وسیعی در زمینه های مختلف مانند فوتوکاتالیستا ۳۵، پایه های کاتالیستی ا۳۶، حسگرهای گازی غیره داشته باشد.

TiO2 از جمله اکسیدهای فلزی است که در زندگی روزمره کاربرد فراوانی دارد. این ماده، پودر سفید رنگی است که دارای سه فاز کریستالی آناتیس “، روتایل” و بروکیت” است که به عنوان رنگدانه سفید در صنعت استفاده می شود. از آنجاییکه گاف انرژی این ماده حدود eV ۳/۲ است (نوع آناتیس)، قادر است نور فرابنفش را به خوبی جذب نماید. از این خاصیت می توان به عنوان جاذب نور فرابنفش استفاده کرد. دو خاصیت مهم این ماده که آن را در زندگی بسیار کارا و مفید می سازد، خواص فوتوکاتالیستی و فوق آب دوستی آن است. از این دو خاصیت برای تصفیه آب و فاضلاب ها، حذف آلودگی هوا و ساختمان ها، تسریع واکنش های فوتوشیمیایی مانند تولید هیدروژن، ساخت سطوح و لایه های ضد مه و شیشه های خود تمیز شونده استفاده می شود

۲. ۲. معرفی نانو ساختار TNA حاصل از مولکول TiO2

ساختار نانولولهای و تک بعدی گونه مولکول های TiO2″ یا به اختصار TNA، به دلیل نسبت بالای سطح به حجم (۷/A) دارای خواص مفید و منحصر به فردی در مقایسه با سایر تانوساختارهای این مولکول می باشد. به عبارتی طبیعت آرایه ای دقیق این نانو ساختارهای یک بعدی منظم، آنها را به مسیرهای مناسب و موثر نفوذ برای انتقال الکترون بین سطوح تبدیل کرده است. برای مثال، نانولوله در مقایسه با نانو سیم به دلیل دارا بودن سطح داخلی و خارجی، سطح نسبتا بیشتری را دارا می باشد. این ویژگی باعث شده است که نانولوله ها به عنوان ساختاری مناسب در کاربردهای مختلف علم سطح، مدنظر قرار گیرد .اخیرا، آرایه های نانولولهای ساختار TNA در گستره وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گرفته اند. این کاربردها عبارتند از: سنسورها، الکترولیز آب، فرایندهای فوتوکاتالیستی و تولید دارو از تجزیه بافتهای آلیو دستگاه های فوتونیکی و غیره …نانولوله های اکسید تیتانیوم تاکنون با روش های مختلفی از جمله سال ژل و اکسایش آندی ساخت شده اند که در ادامه به آنها پرداخته می شود.

2-1-مقدمه 24

2-2-معرفی نانوساختار TNA حاصل از مولکول    25

2-2-1-روش هیدروترمال 25

2-2-2-روش اکسایش آندی 26

2-2-3-روش سل-ژل 27

2-4-ارزیابی سه روش سنتز،نانولوله ها 28

2-5-خواص شبکه ای TNAا    30

2-5-1-خواص کریستالی 30

2-5-2-ترکیب شیمیایی سطح TNAا    31

2-6-مکانیزم تشکیل TNA به روش اکسیداسیون آندی 33

2-7-کاربردهای TNAا    38

2-7-1-پایه کاتالییستی        39

2-7-2-فوتوکاتالیست  39

2-7-3-خواص فوتوالکتروشیمیایی TNAا 40

2-7-4-سلولهای خورشیدی رنگدانه ای 41

2-8-معایب فوتوکاتالیست TNAا    41

2-8-1-بهبود خواص TNA با اضافه کردن نیتروژن  42

2-8-2-بهبود خواص TNA با اضافه کردن آهن 45

2-9-نتیجه گیری 46

الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن

الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن

فصل سوم:سنتز،مشخصه یابی و بررسی خواص نوری نانوساختار TNA

۳. ۱. مقدمه

در این فصل به تمامی جزئیات فرآیندهای سنتز، مشخصه یابی و خواص نوری نمونه های TNA که در آزمایشگاه ساخته شدهاند، پرداخته می شود. در مرحله سنتز نمونههای TNA که با روش اکسیداسیون آندی همراه می باشد، پارامترهای زیادی دخیل بوده و چالش هایی وجود داشته (مانند تلاش برای حذف لایه مزاحم روی سطح TNA که در ادامه معرفی خواهد شد) که مورد بررسی قرار گرفته اند. در ادامه، عوامل موثر بر تغییرات مورفولوژی سطح ساختار TNA با بهره گیری از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی ( SEM) بررسی می شود. همچنین، با کمک آنالیزهای پراش اشعه ایکس (XRD) و اسپکتروسکوپی فوتوالکترونهای اشعه ایکس (XPS) به ترتیب ساختار کریستالی TNA و استوکیومتری ترکیب شیمیایی این لایه نازک رشد داده شده در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار می گیرد. در خاتمه، خواص اپتیکی نمونه های سنتز شده با استفاده از آنالیز اسپکتروسکوپی بازتاب نفوذی (DRS) “بررسی خواهد شد.

۷.۳. نتیجه گیری

 در این فصل نمونه های مختلف TNA در شرایط مختلف به روش اکسیداسیون آندی سنتز شدند. با توجه به تحلیل تصاویر SEM، نمونه های TNA سنتز شده به روش اکسیداسیون آندی دو مرحله ای، دارای ساختارهای نانولوله ای با چیدمان منظم، یکنواخت و با سطح تمیزتر نسبت به نمونه های TNA سنتز شده یک مرحلهای می باشند. لذا در ادامه کار به منظور اصلاح ساختار TNA توسط نانوذرات Cu2O از دیدگاه خواص فوتوالکتروشیمیایی، از نمونه های TNA سنتز شده طی فرآیند اکسایشی دو مرحله ای استفاده خواهد شد.

3-1-مقدمه  48

3-2-سنتز نمونه های TNA با شرایط و ویژگی های مختلف درآزمایشگاه 48

3-2-1-سنتز TNA به روش اکسیداسیون آندی 48

3-3-مشخصه یابی سطح نمونه ها توسط آنالیز SEMا 50

3-3-1-سنتز یک مرحله ای 51

3-3-2-تاثیر تغییرات نسبت حجمی DI:EG درسنتز یک مرحله ای TNAا   51

3-3-3-اثرسنتز دومرحله ای 53

3-3-4-حذف لایه مزاحم 53

3-3-4-1-تاثیر امواج آلتراسیونیک برای حذف لایه مزاحم بعداز سنتز دومرحله ای 54

3-3-4-2-تاثیر خوردگی لایه مزاحم توسط اسید HF بعدازسنتز دومرحله ای  56

3-4-آنالیز DRSا 57

3-5-آنالیز XRDا   58

3-6-آنالیز XPSا  59

3-7-نتیجه گیری 63

الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن تحت تابش نور

الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن تحت تابش نور

فصل چهارم:سنتز ومشخصه یابی نانوساختار ترکیبی TNA/Cu2O

۴. ۶. نتیجه گیری

در این فصل لایه نشانی نانوذرات Cu2 O روی بستر TNA به روش ElectrodepOSition، با در نظر گرفتن هفت پارامتر موثر در فرآیند لایه نشانی و با اعمال مقادیر مختلف برای آنها اقدام شده است. بهینه سازی این مقادیر که در نهایت منجر به تولید نانو ساختار بهینه Cu2O/TNA-Opt از نقطه نظر خواص فوتوالکتروشمیایی PEC شده است، موضوعی است که مفصلا در فصل آینده بدان پرداخته می شود. بر اساس تحلیل نتایج حاصل از آنالیزهای SEM و XPS، مشخص گردید که نانوذرات Cu2O بطور یکنواخت روی سطح TNA لایه نشانی شده و نسبت Cu:O در نمونه بهینه برابر ۱/۶ تعیین گردید.

4-1-مقدمه   65

4-2-لایه نشانی به روش رسوب گذاری الکتریکی 66

4-2-1-مکانیسم لایه نشانی Cu2O ا           67

4-2-2-معرفی دستگاه پتاسیواستات 69

4-2-3-سل لایه نشانی سه الکترودی 72

4-3-لایه نشانی نانوذرات Cu2O روی TNA در آزمایشگاه 73

4-3-1-پارامترهای موثر در لایه نشانی 74

4-3-2-تهیه الکترولیت لازم برای لایه نشانی 75

4-3-3-انجام فرآیند لایه نشانی   79

4-4-مشخصه یابی سطح نمونه ها توسط آنالیز SEM وبررسی مورفولوژی سطح TNA/ Cu2Oا   81

4-5-آنالیزXPSا  85

4-6-نتیجه گیری 90

سلول الکتروشیمیایی برای انجام فرآیند اکسیداسیون آندی روی ورق

سلول الکتروشیمیایی برای انجام فرآیند اکسیداسیون آندی روی ورق

فصل پنجم:بررسی خواص فوتوالکتروشیمیایی نانوساختارTNA/ Cu2O

۵. ۴. ۳. بهینه سازی نسبت غلظتها (N)

پس از شناسایی محلول الکترولیت (۶) به عنوان الکترولیت بهینه، به بررسی اثر پارامتر N در مقدار تولید (Jpl(mA/cm نمونه های سنتز شده اقدام شده است. با توجه به اینکه امکان کاهش N فقط تا محدوده ۷=NC وجود دارد، چرا که مقدار N کمتر از ۷ منجر به ته نشین شدن 2(Cul(OH در محلول الکترولیت میگردد و مقدار N موجود برای نمونه (۶) برابر ۷/۷ است، لذا اقدام به افزایش مقدار N از راه افزایش مولاریته لاکتیک اسید (M (C3H6O3 کرده که منجر به تهیه الکترولیت (۷) با نسبت ۱۵/۴ = N شده است. در واقع با دو برابر شدن (M(C3H6O3، مقدار N نیز دو برابر شده است. در جدول ۵- ۶ مقادیر همه پارامترها برای بهینه سازی N برای سنتز دو نمونه Cu O/TNA-N6 و Cu2OTNA-N7 ذکر شده اند. (pl(mA/cmل تولید شده توسط نمونه های سنتز شده با این مقادیر، در نمودار ۵- ۴ توسط آزمایش کرونوآمپرومتری اندازه گیری و با یکدیگر مقایسه شدهاند.

۵. ۶. نتیجه گیری

نمونه های سنتز شده Cu2O/ TNA با پارامترهای بهینه شده، حداقل ۲۴ برابر بیشتر از TNA خالص فوتو جریان تولید کردهاند، که نشان دهنده حساسیت سیستم Cu2O/TNA نسبیت به ناحیه مرثی است. از طرفی آزمایش های IPCE نیز موید این موضوع هستند که، سیستم Cu2O/TNA بر خلاف نانو ساختار TNA، نسبت به ناحیه مرئی حساس بوده و با تابش فوتون های با طول موج های بیشتر از nm ۴۰۰ منجر به تولید زوج الکترون – حفره می گردد. PEC alo- es- 3 ۲/۰، قادر به اصلاح e۷ با گاف انرژی تقریبی Cul2O خلاصه اینکه نیمهرسانایی آرایه های نانولول های مولکول TiO2 به منظور الکترولیز آب و تولید هیدروژن از این راه بوده است.

5-1-مقدمه 92

5-2-مکانسم الکترولیز آب درحضور فوتوکاتالیست TNA/ Cu2O تحت تابش نور 93

5-3-بررسی خواص فوتوالکتروشیمیایی PEC نمونه ها 95

5-4-آزمایش کرونوآمپرومتری وتولید جریان نوری 97

5-4-1-بهینه سازی پارامترهای لایه نشانی توسط آزمایش کرونوآمپرومتری 97

5-4-1-بهینه سازی پارامتر pHا 100

5-4-2-بهینه سازی پارامترها 103

5-4-3-بهینه سازی نسبت غلظت ها  105

5-4-4-بهینه سازی ولتاژ لایه نشانی 106

5-4-5- بهینه سازی بارالکتریکی 109

5-4-6-بهیه سازی دمای الترولیت 110

5-5-بررسی سایر خواص فوتوالکتروشیمیایی 112

5-5-1-محاسبه IPCEا 112

5-6-نتیجه گیری 116

5-7-پیشنهادات 117

مراجع 117

چکیده انگلیسی 122

مقادیر انرژی گاف نیمه رسانا ها ومحل قرارگیری نوار ظرفیت ورسانش در pH=7

مقادیر انرژی گاف نیمه رسانا ها ومحل قرارگیری نوار ظرفیت ورسانش در pH=7

فهرست شکلها

شکل ۱- ۱ الگوی نمایش تولید فوتوکاتالیستی هیدروژن  10

شکل ۱- ۲ الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن   10

شکل ۱- ۳ الگوی نمایش تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن تحت تابش نور   16

شکل ۱-۴ الف) شماتیک سلول PEC سه الکترودی  17

شکل ۱-۵ منحنی جریان – پتانسیل نوعی برای یک الکترود مرجع ایده ال   18

شکل ۱- ۶ مقادیر انرژی گاف نیمه رساناها و محل قرار گیری نوار ظرفیت و رسانش   19

شکل ۲-۱ سلول الکتروشیمیایی برای انجام فرآیند اکسیداسیون آندی روی ورق     27

شکل ۲-۲ تصاویرSEM  نانولوله های دی اکسید تیتانیم تولید شده      28

شکل ۲-۳ نحوه آرایش هشت وجهی های TiO6 درسه فاز روتایل،آناتاز و بروکیت    30

شکل ۲- ۴ طیف GAXRD از TNA ها در دماهای پخت متفات.تمامی نمونه های درالکترولیت 32

شکل ۲-۵ طیف XPS مربوط به TNA های ساخته شده تحت ولتاژ اکسیداسیون 32

شکل ۲-۶ سطح لایه Ti تحت اکسیداسیون آندی درزمان های متفاوت  37

شکل ۲- ۷ مراحل تشکیل نانو ساختار TNA ا   38

شکل ۲- ۸ سطح مقطع ساختار یک DSSC ساخته شده با TNAا  41

شکل2-9 تصاویر SEM مربوط به سیستم 43

شکل 2-10 طیف DRS مربوط به TNA و N-TNAا    44

شکل ۲-۱۱ فوتو جریان گرفته شده از سیستمهای TNA و N-TNAا  45

شکل ۲- ۱۲ منحنی جذب نور مربوط به نانوساختارهای TNA و Fe-doped TNA با در صدهای مختلف آهن       46

شکل ۳- ۱ آرایه های نانولولهای تیتانیوم دی اکسید حاصل از سنتز یک مرحله ای، الف) برش مقطعی ب) از بالا  51

شکل ۳-۲ نانولوله های خورده شده حاصل از اکسیداسیون آندی با نسبت حجمی         52

شکل ۳-۳ نانوساختار متخلخل حاصل از اکسیداسیون آندی با نسبت حجمی         52

شکل ۳-۴ تصاویرSEM از TNA های ساخته شده در ولتاژ اعمالی اکسیداسیون 53

شکل5-3 تصاویر SEM نانولوله های TNA سنتز شده توسط اکسیداسیون آندی دومرحله ای 54

شکل ۳-۶ تصویر SEM از TNA پخته شده پس از حذف لایه مزاحم توسط امواج آلتراسونیک  55

شکل ۳-۷ الف) تصویر SEM ا TNA پخته شده پس از حذف لایه مزاحم توسط اسیدHFا   56

شکل ۳- ۸ طیف جذب بر حسب طول موج در ولتاژهای مختلف اکسیداسیون  57

شکل ۳- ۹ الگوی XRD نمونه TNA، پیکها زیر لایه Ti، آناتیس و روتایل به ترتیب با A ،T و R ا    59

شکل ۳- ۱۰ طیف گستردهXPS نمونه سنتز شده لایه نازک نانوساختارTNAا   60

شکل ۳- ۱۱ طیف گستردهXPs درمحدوده انرژی پیوندی قله برای نمونهTNAا 62

شکل ۳- ۱۲ طیف پنجره XPS درمحدوده انرژی پیوندی قله برای نمونه TNAا 62

شکل ۴-۱ مدار ساده شده پتانسیواستات  70

شکل ۴-۲ مدار معادل پتانسیواستات با در نظر گرفتن محلول الکترولیت   71

شکل ۴-۳ نمایی از جلوی دستگاه پتانسیواستات مدل ساخت شرکت متروهم 72

شکل ۴- ۴ الف) سل سه الکترودی به همراه هیتر و ترموکوپل ب) نمای نزدیکتر از سال سه الکترودی با اجزای      73

شکل ۵-۱ موقعیت نوارهای انرژی و مسیرهای انتقال الکترون (فلش ها) در سیستم ترکیبی         94

شکل ۵-۲ سلول PEC درکنار دستگاه اتولب وخورشید آزمایشگاهی   95

شکل ۵- ۳ نمونهای از فوتوکاتالیست متصل به الکترود کار   96

شکل ۵- ۴ طرح کلی آزمایشی اندازه گیری IPCEا    113

نحوه آرایش هشت وجهی های TiO در سه فاز روتایل،آناتاز وبروکیت

نحوه آرایش هشت وجهی های TiO در سه فاز روتایل،آناتاز وبروکیت

فهرست جدولها

جدول ۱-۱ دادههای مربوط به تکنولوزی های مختلف تولید هیدروژن      12

جدول ۲-۱ مقایسه روش های متداول سنتز نانولوله های        29

جدول ۳- ۱ شرایط نمونه های ساخته شده تحت سنتز یک مرحله ای و سنتز دو مرحله ای      50

جدول ۳-۲ مقادیر انرژی پیوندی و FWHM قله های موجود درطیف XPS برای نمونه TNAا    63

جدول ۴-۱ مشخصات محلول های الکترولیت برای لایه نشانی     76

جدول ۴-۲ مقادیر پارامترها برای سنتز سیستم ترکیبی Cu2O/TNA-Opt ا    82

جدول ۴-۳ مقادیر انرژی پیوندی و قله های موجود درطیف برای نمونه    89

جدول ۵-۱ مقادیر پارامترهای مربوط به محلول های الکترولیت       98

جدول ۵-۲ مقادیر پارامتر های اعمالی ولت،میلی کولن،دما  99

جدول ۵-۳ مقادیر پایرامترها برای بهینه سازی pH درغلظت های پایین 101

جدول ۵- ۴ مقادیر پارامترها برای بهینه سازیpHدرغلظت های بالا 102

جدول ۵-۵ مقادیر پارامترها مربوط به بهینه سازی غلظتها    104

جدول ۵- ۶ مقادیر پارامترها مربوط به بهینه سازی Nا  106

جدول ۵- ۷ مقادیر پارامترها مربوط به بهینه سازی VE(v)ا   108

جدول ۵- ۸ مقادیر پارامترها مربوط به بهینه سازی Q(mC)ا  109

جدول ۵- ۹ مقادیر پارامترها مربوط به بهینه سازیT(C)ا    111

جدول 5-10 مقادیر بهینه پارامترهای لایه نشانی  112

فهرست نمودارها

نمودار ۵-۱ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینه سازی در غلظت های کم 102

نمودار ۵-۲ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینه سازی در غلظت های بالا 103

نمودار ۵- ۳ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینه سازی غلظت ها 105

نمودار ۵- ۴ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینه سازی پارامترNا 106

نمودار ۵-۵ مربوط به تایین محدوده جریان – ولتاژ لایه نشانی  107

نمودار ۵- ۶ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینه سازی پارامتر   108

نمودار ۵-۷ مقایسه جریان نوری تولید شده به منظور بهینهسازی پارامتر    110

نمودار ۵-۸ بهینهسازی پارامتر     111

نمودار 9-5 برحسب طول موج فوتون های تابیده شده درناحیه مرئی 113

نمودار10-5 تغییرات برحسب طول موج فوتون های تابیده شده درناحیه فرابنفش 114


Abstract

In this research, initially, thin film of TiO2 nanotube arrays (TNA) was deposited on Titanium foil (Ti), using anodization technique under an optimized applied voltage of 60 V, for 200 minutes. Highly smooth and ordered TNA formed by effective two-step anodization method. The TNA synthesized by this procedure, showed a better surface smoothness and tube order as compared with the TNA prepared in one-step anodization process. The electrolyte which was utilized for the anodization process, contained 90% of Ethylene Glycol (EG) in volume, 10% de-ionized water (DI) in volume, 0.1M Ammonium Fluoride (NHF), and 0.5 ml Phosphoric Acid (H3PO) 1M in order to adjust the pH about 5.6. Moreover, the synthesized samples were crystalized by annealing under 500°C thermal treatment with heating rate of 9.5 °C min. Based on Scanning Electron Microscope (SEM) observation analysis, length and the inner diameter of nanotubes were measured about 3.7 m and 106 + 3 mm, respectively. In the next step, p-type cuprous oxide (Cu2O) semiconductor was electrodeposited on the grown TNA. In our procedure, we have considered several factors including electrolyte pH, concentration of Cu2O and Lactic acid, ratio of concentrations of the two electrolytes, applied deposition potential, deposition temperature, and deposition charge, Consequently, the ideal sample was synthesized by optimizing all these parameters. In order to optimize these parameters, PEC responses were measured by linear sweep voltammetry under 30 mW/cm (Xe lamp) illumination intensity in Na2SO4 ().05M electrolyte. Photocurrent density (Joh) for water splitting reaction on the optimized Cu2O/TNA system was measured about 0.320 mA/cm under visible light (under applied bias voltage of 0.5V) which is about 24 times higher than of the pure TNA. Finally, the following quantities have been acquired as optimum values for the above mentioned parameters: M(CuSO4)=0.30, M(CH6Os)=4.62, N=15.4, pH=11, WEF -0.450 V. Q=500 mc and T-30°C. In conclusion, the acquired data was analyzed and compared with previous published reports,

Keywords: TiO2 nanotube arrays (TNA), Cu2O nanoparticles, Electrodeposition, Photoelectrochemical Cell, Hydrogen Production.


تعداد صفحات فایل : 125

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و سفارش فایل word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید