چكیده
به منظور بهبود عملكرد شكافت آب و تولید بیشتر هیدروژن به عنوان انرژی پاك توسط نانوذرات فتوكاتالیست مانند TiO2، راهكارهایی نظیر افزودن فلزات یا نیمه رساناها به ساختار، تشكیل ساختار متخلخل به منظور افزایش سطح تماس با محلول الكترولیت و قرارگیری ذرات بر روی یك بستر به منظور جلوگیری از تجمع نانوذرات TiO2 مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به چالش های استفاده از نانوذرات TiO2 و نیز ویژگی های منحصر به فرد ایروژل سیلیس شامل تخلخل زیاد و سطح مخصوص بالا و حفرات مزومتری، در این پژوهش، بارگذاری ذرات TiO2 بر روی شبكه ایروژل سیلیس به عنوان حامل و رفتار فتوالكتروكاتالیستی شكافت آب برای تولید هیدروژن توسط این نانوساختار مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثر ذرات نقره به عنوان كاتالییست كمكی و نیز رنگینه فلورسنت در ساختار فتوكاتالیست حاصل بررسی شد. نمونههای ایروژل سیلیس حاوی نانوذرات TiO2 با روش سل-ژل دومرحلهای و خشك كردن در فشار محیط سنتز و نانوذرات TiO2 در حین فرایند سل-ژل به محیط سنتز اضافه شدند. ارزیابی خواص فیزیكی شیمیایی و ساختاری نمونه ها با استفاده از تصاویر FE-SEM، طیف سنجی EDX، آزمون جذب و واجذب نیتروژن و FTIR انجام شد. از طیف سنجی انعكاسی DRS و آزمون فوتولومینانس PL و آزمون تخریب رنگزاهای كاتیونی برای ارزیابی رفتار فوتوالكتروكاتالیستی استفاده شد. ارزیابی واكنش های شكافت آب با استفاده از آزمون های چگالی جریان نوری فوتوالكترودها به روشهای ولتامتری روبش خطی LSV وولتامتری چرخه ای CV انجام شد. نتایج نشان دادند همه نمونه ها دارای تخلخل بالای 85% و سطح مخصوص بالاتر از m2/g 800 و اندازه حفرات در حدود 7 نانومتر بوده كه بیانگر حفظ ساختار مزومتخلخل ایروژل سیلیس در حضور نانوذرات TiO2، نقره و رنگینه است. بارگزاری نانوذرات TiO2 بر روی بستر مزومتخلخل ایروژل با تخلخل و سطح مخصوص بالا منجر به افزایش سطح تماس فتوالكتروكاتالیست با الكترولیت شده و همچنین با ممانعت از تجمع نانوذرات TiO2، عملكرد فوتوالكتروكاتالیستی شكافت آب برای تولید اكسیژن و هیدروژن به میزان قابل ملاحظه افزایش یافت. به طوری كه در پتانسیل 1.23 V ، چگالی جریان نمونه از A/cm2 27/9 در تاریكی به A/cm2 38/15 در حضور نور افزایش یافت. در حالی كه این مقدار در نانوذرات TiO2 با وجود میزان فتوكاتالیست بیشتر (10 برابر)، در حدود A/cm2 5/4 است. منحنی های ولتامتری چرخه ای مساحت سطح بزرگتری را برای نمونه ی ایروژل حاوی نانوذرات TiO2 نشان داد كه نشان دهنده ی انتقال بهتر حامل های بار نوری و الكترون-حفره و كاهش سرعت بازتركیب آنهاست. همچنین با بارگذاری نانوذرات TiO2 بر روی بستر ایروژل سیلیس، شیب تافل از mv/dec 381 برای نانوذرات TiO2 به mv/dec 263 برای نمونه ایروژل حاوی نانوذرات كاهش یافت كه بیانگر افزایش چشمگیر سرعت تولید هیدروژن (HER) است. كاهش قابل ملاحظه مازاد پتانسیل در چگالی جریان A/cm2 2000- از 80/0- ولت به 65/0- ولت بهبود عملكرد HER را تایید كرد. راندمان حذف رنگزای متیلن بلو از محلول با غلظت 29 میلی گرم بر لیتر و مدت زمان 20 دقیقه تحت نور UV توسط 1/0 گرم نانوذرات TiO2 حدود 45% بوده كه این مقدار در نمونه ایروژل حاوی 01/0 گرمTiO2 در ساختار تا 95% افزایش یافت و بیانگر بهبود چشمگیرعملكرد فتوكاتالیستی این نمونه است. حضور ذرات نقره به عنوان كاتالیست كمكی در كنار نانوذرات TiO2 در شبكه ایروژل، تاثیر چندانی برعملكرد فتوالكتروكاتالیستی شكافت آب نشان نداد.

كلمات كلیدی: فوتوالكتروكاتالیست، ایروژل سیلیس حاوی TiO2 ، شكافت آب، تولید هیدروژن