تاثیر زمان کلسینه شدن در مورفولوژی و بازده لایه های BiVO4 برای استفاده در تجزیه ی آب توسط نور خورشید

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه حالت جامد و الکترونیک، دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشگاه آزاد اسلامی

10.22055/jrmbs.2019.14595

چکیده

با رشد علم و صنعت می‌توان پیش‌بینی کرد که هیدروژن سوخت آینده‌ی جوامع بشری خواهد بود. تبدیل مستقیم انرژی خورشید به سوخت، اخیراً به عنوان یک زمینه‌ی بسیار جذاب در علوم مطرح گردیده است. در این کار تجربی، لایه‌ی نازک اکسید فلزی بیسموت وانادات که می‌تواند در نقش فوتوآند به‌کار رود، به روش اسپری پیرولیز روی بسترهای ایندیم تیتانیوم اکساید لایه‌نشانی شد. برای اصلاح این کاتالیزگر نوری، اکسید کبالت به‌عنوان کمک‌کاتالیزور با روش پوشش‌دهی دورانی روی لایه‌ها بارگذاری گردید. برای بررسی تأثیر مدت زمان تکلیس کردن لایه‌ی نازک بیسموت وانادات در فوتوجریان، پنج نمونه به ترتیب از 1 ساعت تا 5 ساعت در 400 درجه سانتیگراد تکلیس شدند. نتایج نشان داد که با افزایش مدت زمان تکلیس از 2 ساعت الی 5 ساعت، فوتوجریان نیز افزایش می‌یابد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی به وضوح نشان می-دهند که با افزایش زمان تکلیس، نانوذرات منفرد بهم پیوسته‌تر گردیده‌اند. طیف پراش پرتو X برای نمونه‌ها، با زمان تکلیس تغییرات خاصی را در ساختار بلوری نشان نمی‌دهد. همچنین نمودار طیف جذبی نمونه‌ها یک افزایش در جذب فوتون فرودی با بالا رفتن مدت زمان تکلیس نمونه‌ها را ابراز داشت که به اندازه دانه‌بندی نمونه‌های مختلف بیسموت وانادات مربوط است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of calcination time on the morphology and efficiency of BiVO4 films in order to use as solar decomposition of water

نویسندگان [English]

  • Rasool Azemayesh 1
  • Hamid Naghshara 1
1 Department of solid state and electronic, Faculty of Physics, university of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

With the growth of science and technology and according to the vision of human knowledge, it is predictable that hydrogen will be the future fuel of human society. Chemical decomposition of water for fuel production through direct conversion of solar energy has been proposed as an interesting topic in science. In this experimental work, BiVO4 films as a photoanode were prepared by spray pyrolysis deposition method. Cobalt oxide was used as a cocatalyst and deposited on BiVO4 films by spin coating method. Five samples were calcined at 400oC for 1-5 hours to study the effect of calcination time on the morphology of BiVO4 films. Results showed that by increasing calcination time, the photo-current rises. This is because that by increasing calcination time, atoms were able to move into low energy sites at the surface and so separated individual nanoparticles could attach together to make better connectivity to the substrate. The XRD patterns also showed that there are no critical changes in the microstructure of the layers. The UV-VIS spectrum of samples shows an increase in photo absorption which is related to the variation in grain size of BiVO4 films.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water decomposition
  • Solar energy
  • Bismuth Vanadate
  • Photocurrent
  • Photo Anode
  • Calcination

[1] J. Nowotny, C.C. Sorrell, L.R. Sheppard, T. Bak, Solar-hydrogen: Environmentally safe fuel for the future, International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 521–544.

[2] P.V. Kamat, Meeting the clean energy demand : Nanostructure architectures for solar energy, Physical Chemistry C 111 (2007) 2834–2860.

[3] A. Hagfeldt, M. Graetzel, Light-induced redox reactions in nanocrystalline systems, Chemical Reviews 95 (1995) 49–68.

[4] R. Krol, V. De, Y. Liang, J. Schoonman, Solar hydrogen production with nanostructured metal oxides, Materials Chemistry 20 (2008) 2311–2320.

[5] F.E. Osterloh, Inorganic nanostructures for photoelectrochemical and photocatalytic water splitting, Chemical Society Reviews 42 (2013) 2294–2320.

[6] A.J. Nozik, Photochemical diodes, Applied Physics A 30 (1977) 567-568.

[7] A. Fujishima, K. Honda, Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode, Nature 238 (1972) 37–38.

[8] K. Maeda, K. Domen, Photocatalytic water splitting: Recent progress and future challenges, Physical Chemistry Letters 1 (2010) 2655–2661.

[9] M.G. Walter, Solar water splitting cells, Chemical Reviews 110 (2010) 6446–6473.

[10] A. Kudo, Y. Miseki, Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting, Chemical Society Reviews 38 (2009) 253–278.

[11] T. Hisatomi, J. Kubota, K. Domen, Recent advances in semiconductors for photocatalytic and photoelectrochemical water splitting, Chemical Society Reviews 43 (2014) 7520–7535.

[12] K. Sivula, Metal oxide photoelectrodes for solar fuel production, surface traps, and catalysis, Physical Chemistry Letters 4 (2013) 1624–1633.

[13] K. Sayama, A. Nomura, Z. Zou, R. Abe, Photoelectrochemical decomposition of water on nanocrystalline BiVO4 film electrodes under visible light, Chemical Communications 23 (2003) 2908–2909.

[14] K. Sayama, Photoelectrochemical decomposition of water into H2 and O2 on porous BiVO4 thin-film electrodes under visible light and significant effect of Ag ion treatment, Physical Chemistry B 110 (2006) 11352–11360.

[15] M. Long, R. Beranek, W. Cai, H. Kisch, Hybrid semiconductor electrodes for light-driven photoelectrochemical switches, Electrochimica Acta 53 (2008) 4621–4626.

[16] M. Long, W. Cai, H. Kisch, Visible light induced photoelectrochemical properties of n-BiVO4 and n-BiVO4/p-Co3O4, Physical Chemistry C 112 (2008) 548–554.

[17] A. Iwase, A. Kudo, Photoelectrochemical water splitting using visible-light-responsive BiVO4 fine particles prepared in an aqueous acetic acid solution, Materials Chemistry 35 (2010) 7536–7542.

[18] H. Ye, J. Lee, J.S. Jang, A.J. Bard, Rapid screening of BiVO4 -based photocatalysts by scanning electrochemical microscopy (SECM) and studies of their photoelectrochemical properties, Physical Chemistry C 114 (2010) 13322–13328.

[19] S.P. Berglund, D.W. Flaherty, N.T. Hahn, A.J. Bard, C.B. Mullins, Photoelectrochemical oxidation of water using nanostructured BiVO4 films, Physical Chemistry C 115 (2011) 3794–3802.

[20] K. Sayama, Effect of carbonate ions on the photooxidation of water over porous BiVO4 film photoelectrode under visible light, Chemistry Letters 39 (2010) 17–19.

[21] Y.H. Ng, A. Iwase, A. Kudo, R. Amal, Reducing graphene oxide on a visible-light BiVO4 photocatalyst for an enhanced photoelectrochemical water splitting, Physical Chemistry Letters 1 (2010) 2607–2612.

[22] H. Ye, H.S. Park, A.J. Bard, Screening of electrocatalysts for photoelectrochemical water oxidation on W-doped BiVO4 photocatalysts by scanning electrochemical microscopy, Physical Chemistry C 115 (2011) 12464–12470.

 [23] T. Lindgren, H. Wang, N. Beermann, L. Vayssieres, A. Hagfeldt, S. Lindquist, Aqueous photoelectrochemistry of hematite nanorod array, Solar Energy Materials and Solar Cells 71 (2002) 231–243.

[24] F. Bouhjar, B. Bessaïs, B. Marí, Ultrathin-layer α-Fe2O3 deposited under hematite for solar water splitting, Journal of Solid State Electrochemistry 22 (2018) 2347-2356

[25] A. Duret, M. Grätzel, Visible Light-Induced Water Oxidation on Mesoscopic α-Fe2O3 films made by ultrasonic spray pyrolysis, Physical Chemistry B 109 (2005) 17184–17191.

[26] M. Spichiger‐Ulmann, J. Augustynski, Aging effects in n‐type semiconducting WO3 films, Applied Physics 54 (1983) 6061–6064.

[27] B.D. Alexander, P.J. Kulesza, I. Rutkowska, J. Augustynski, Metal oxide photoanodes for solar hydrogen production, Materials Chemistry 20 (2008) 2298–2303.

[28] Y. Miseki, H. Kusama, H. Sugihara, K. Sayama, Cs-modified WO3 photocatalyst showing efficient solar energy conversion for O2 production and Fe (III) ion reduction under visible light, Physical Chemistry Letters 1 (2010) 1196–1200.

[29] Q. Jia, K. Iwashina, A. Kudo, Facile fabrication of an efficient BiVO4 thin film electrode for water splitting under visible light irradiation, Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (2012) 11564–11569.

[30] Z. Chen, Accelerating materials development for photoelectrochemical hydrogen production: Standards for methods, definitions, and reporting protocols, Materials Research 25 (2010) 3–16.

[31] B. Liu, C. Wu, J. Miao, P. Yang, All inorganic semiconductor nanowire mesh for direct solar water splitting, ACS Nano 8 (2014) 11739–11744.

[32] S.M. Golabi, An introduction to electroanalytical chemistry, Sotoudeh, Tabriz, (1389).

[32] م. گلابی، مقدمه‌ای بر الکتروشیمی تجزیه، انتشارات ستوده، تبریز، (1389).