"Evaluating the photoelectrocatalytic performance of conductive polymer nanocomposites with natural Ilmenite and graphitic carbon nitride for photoelectrochemical water splitting"
Dissertation
Shkar Jkhsin Musa
Chemistry
1400
83p.
cd
M.S.
Nano Chemistry
1400/6/10
In recent years, the solar induced photoelectrochemical (PEC) water splitting has been attracted a lot of attention due to its great capability in direct conversion of clean and renewable solar energy into chemical energy (hydrogen and oxygen generation) by the use of appropriate semiconductor materials. Construction of conductive polymer-inorganic metal oxide heterojunctions with matching energy levels enabling fast charge separation and transfer is a good strategy that benefits from the properties of both organic and inorganic semiconductors.In this study, the nanocomposites of camphor sulfonic acid doped polyaniline (CSA PANI) and polypyrrole (CSA PPy) were synthesized with natural ilmenite (FeTiO3) and graphitic carbon nitride (g-C3N4) nanosheets by in situ oxidative polymerization. The as-synthesized nanocomposites were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, Raman spectroscopy, Field emission scanning electron microscopy (FESEM), and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX).The as-prepared nanocomposites were coated on Ti substrates by Dr. blading method and their PEC performance were investigated as photoanodes by linear sweep voltammetry (LSV), chronoamperometry (CA), Mott-Schottky (MS), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques toward photoelectrochemical water splitting (water oxidation) in dark and light under Xenon lamp irradiation (power density:100 mW/cm2) conditions. All the electrochemical tests were carried out using three-electrode set up by Origa flex 01A Galvanostat-Potentiostat in NaOH 1 M. The results showed that CSA PANI composites with FeTiO3 and g-C3N4 had higher photocurrent density and lower charge transfer resistance (Rct) than CSA PPy composites. CSA PANI nanocomposites had higher optical response and light absorption capacity, which improved their photoelectrocatalytic performance. The maximum photocurrent density obtained for Ti/CSA PANI-FeTiO3-g-C3N4 photoanode (35.87 mA/cm2) because g-C3N4 acts as the conductive substrate for efficient charge separation and transfer at the electrode/electrolyte interface. In the final phase of this project, FeTiO3 nanoparticles were doped with silver and its nanocomposites were synthesized with CSA PANI and g-C3N4 and then characterized by the techniques mentioned above.The electrochemical studied indicated that the photoelectrochemical performance of FeTiO3 was improved in the presence of Ag. By doping FeTiO3 with silver, the density of the charge carriers and the flat band potential increased. So, more charges were formed and therefore the current density was higher compared to FeTiO3. In these photoelectrodes, similar to other studied ones, the presence of g-C3N4 has improved the photoelectrocatalytic performance of Ti/CSA PANI-AgFeTiO3.
چکیده:در سالهای اخیر شکافت فوتوالکتروشیمیایی آب (PEC) تحت تابش نور خورشید به دلیل قابلیت بالای آن در تبدیل مستقیم انرژی تجدید پذیر و پاک خورشیدی به انرژی شیمیایی (تولید هیدروژن و اکسیژن) با استفاده از مواد نیمرسانای مناسب توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. سنتز پلیمرهای رسانا - اکسیدهای فلزی معدنی با اتصالهای ناهمگن و ترازهای انرژی متناسب که امکان تفکیک و انتقال سریع بار را فراهم میکنند، گزینه مناسبی بوده که از مزایای نیمرساناهای آلی و معدنی ناشی میگردد. در این پژوهش، نانوکامپوزیتهای پلیآنیلین دوپه شده با کامفور سولفونیک اسید (CSA PANI) و پلیپیرول دوپه شده با کامفور سولفونیک اسید (CSA PPy) با ایلمنیت طبیعی (FeTiO3) و نانوصفحات کربن نیترید گرافیتی (g-C3N4) از طریق پلیمریزاسیون اکسایشی درجا سنتز شده است. نانوکامپوزیتهای سنتز شده با استفاده از طیفسنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، طیفسنجی رامان، پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) و طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) شناسایی شدند. نانوکامپوزیتهای سنتز شده بر روی بسترهای تیتانیوم از طریق روش دکتر بلید پوشش داده شده و عملکرد آنها به عنوان فوتوآند با استفاده از روشهای ولتامتری روبشی خطی (LSV)، کرونوآمپرومتری (CA)، مات - شاتکی (MS) و طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در شکافت فوتوالکتروشیمیایی آب (اکسیداسیون آب) در تاریکی و تحت تابش نور لامپ زنون (توان mW/cm2 100) مورد بررسی قرار گرفتند. همه تستهای الکتروشیمیایی به صورت سه الکترودی با استفاده از دستگاه پتانسیواستات - گالوانواستات Origa flex 01A در M 1 NaOH انجام گرفتند. نتایج به دست آمده نشان داد که کامپوزیتهای CSA PANI با FeTiO3 و g-C3N4 دانسیته جریان نوری بزرگتر و مقاومت انتقال بار (Rct) کوچکتری در مقایسه با کامپوزیتهای CSA PPy دارند. نانوکامپوزیتهای CSA PANI ظرفیت جذب و پاسخ نوری بزرگتری داشته که سبب بهبود عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی آنها میشود. بیشترین دانسیته جریان نوری به Ti/CSA PANI-FeTiO3-g-C3N4 (mA/cm2 87/35) مربوط می گردد زیرا g-C3N4 به عنوان یک بستر رسانا برای تفکیک و انتقال مؤثر بار در فصل مشترک الکترود/الکترولیت عمل میکند. در فاز آخر پژوهش، نانوذرات FeTiO3 با نقره دوپ شده و نانوکامپوزیتهای آن با CSA PANI و g-C3N4 سنتز شده و با استفاده از آنالیزهای ذکر شده شناسایی شدند. مطالعات الکتروشیمیایی نشان داد که عملکرد FeTiO3 در حضور نقره بهبود یافته است. در اثر دوپه کردن FeTiO3 با نقره، دانسیته حاملین بار و پتانسیل نوار مسطح افزایش مییابد. بنابراین، بارهای بیشتری تولید شده و دانسیته جریان در مقایسه با FeTiO3 بزرگتر میباشد. در این فوتوالکترودها نیز مشابه با سایر الکترودهای مورد مطالعه، عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی Ti/CSA PANI-AgFeTiO3 در حضور g-C3N4 بهبود یافته است.
ارزیابی عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی نانوکامپوزیتهای پلیمرهای رسانا با ایلمنیت طبیعی و کربن نیترید گرافیتی برای شکافت فوتوالکتروشیمیایی آب
Polyaniline, Polypyrrole, Natural FeTiO3, g-C3N4, Water Splitting, Ti substrate, Photoanode, Silver doping