Lai , Chin Wei
(2013)
Development Of Wo3-Tio2 Nanotube Arrays For Water Electrolysis.
PhD thesis, Universiti Sains Malaysia.
Abstract
Penjanaan hidrogen solar melalui elektrolisis air adalah sasaran utama untuk pembangunan ekonomi hidrogen secara lestari bagi sistem tenaga masa depan. Pembentukan TiO2 tiubnano yang bebas daripada kelompok adalah penting dalam aplikasi elektrolisis air supaya mencapai kecekapan yang tinggi. Kajian terperinci terhadap kesan komposisi elektrolit, masa penganodan, keupayaan elektrik, suhu penganodan dan suhu penyepuhlindapan telah dilaksanakan bagi mengawal susunan dan geometri tiubnano. Susunan tiubnano TiO2 yang mempunyai permukaan dinding licin dan nisbah aspek yang tinggi telah berjaya disintesis dalam glikol etilena yang mengandungi 5 wt% NH4F dan 5 wt% H2O2 melalui kaedah penganodan pada 60 V selama 1 jam. H2O2 digunakan sebagai pembekal oksigen untuk meningkatkan kadar pengoksidaan dan seterusnya meningkatkan kadar pembentukan tiubnano dalam kajian ini. Sehubungan dengan itu, didapati bahawa penambahan hidrogen peroksida ke dalam elektrolit dalam selang masa 10 min menghasilkan tiubnano yang lebih panjang (~ 13 μm) dengan diameter ~ 140 nm. Usaha berterusan telah dilaksanakan bagi meningkatkan lagi prestasi elektrolisis air dengan mendeposisi WO3 pada TiO2 tiubnano melalui teknik pemercikan RF dan pengisitepuan basah. WO3-TiO2 tiubnano yang dipercik dengan daya pemercikan 50 W selama 0.5 min serta disepuhlindap pada 400 °C telah menunjukkan foto-arus sebanyak 2.4 mA/cm2 yang tinggi dengan kecekapan penukaran foto sebanyak 6.2 %. Peningkatan prestasi sebanyak dua kali ganda telah dicatatkan berbanding dengan TiO2 tiubnano yang asal. Sebaliknya, TiO2 tiubnano yang dicelupkan dalam 0.3 mM larutan APT selama 1 jam menunjukkan foto-arus sebanyak 2.1 mA/cm2 dengan kecekapan penukaran foto sebanyak 5.1 %. WO3-TiO2 tiubnano yang dihasilkan melalui teknik pemercikan RF mencatatkan prestasi elektrolisis air yang lebih tinggi berbanding dengan teknik pengisitepuan basah. Penemuan ini menunjukkan bahawa pengenapan W6+ spesies dalam kekisi TiO2 dengan tenaga kinetik yang tinggi (pemercikan RF) mencapai prestasi elektrolisis air yang lebih baik berbanding dengan proses resapan daripada W6+ spesies ke dalam kekisi TiO2 (pengisitepuan basah). Kehadiran unsur W di bawah 1 at% dalam TiO2 menunjukkan peningkatan foto-arus dan kecekapan penukaran foto kerana ia akan bertindak sebagai pengantara yang berkesan untuk memerangkap elektron dan mengurangkan rekombinasi elektron-lohong. Sebaliknya, kandungan WO3 yang berlebihan akan membentuk akumulasi pada permukaan tiubnano dan mengakibatkan prestasi elektrolisis air menjadi rendah kerana lapisan asing ini akan bertindak sebagai pusat rekombinasi elektron-lohong.
Solar hydrogen generation from water electrolysis is a key target for the development of sustainable hydrogen economy for future energy system. The formation of self-organized TiO2 nanotubes without bundling is essential for high efficiency in photoelectrochemical (PEC) water electrolysis application. Comprehensive investigations on different parameters, such as composition of electrolyte, anodization time, anodization voltage, anodization temperature and heat treatment temperature were conducted in order to control the specific architecture of nanotubes. Highly ordered and smooth TiO2 nanotubes were successfully synthesized through anodization of Ti foil in ethylene glycol containing 5 wt% of NH4F and 5 wt% of H2O2 at 60 V for 1 h. In this study, H2O2 was used as oxygen provider to increase the oxidation rate for synthesizing nanotubes at a rapid rate. It was found that addition of H2O2 at 10 min intervals formed longer nanotubes (~ 13 μm) with larger pore diameter (~ 140 nm). Continuous efforts have been exerted to further improve the PEC water splitting performance by incorporating an optimum content of WO3 into TiO2 nanotubes using RF sputtering and wet impregnation techniques. It was found that TiO2 nanotubes sputtered at 50 W for 0.5 min and subsequently heat treated at 400 °C demonstrated a maximum photocurrent density of ~ 2.4 mA/cm2 with photoconversion efficiency ~ 6.2 %. This performance was approximately two times higher than the pure TiO2 nanotubes. On the other hand, TiO2 nanotubes that dipped into the 0.3 mM ammonium paratungstate (APT) solution for 1 h showed photocurrent density of ~ 2.1 mA/cm2 with photoconversion efficiency of ~ 5.1 %. The WO3-TiO2 nanotubes prepared by RF sputtering exhibited higher PEC water splitting performance than that of wet impregnation. These findings deduced that W6+ species incorporated within TiO2 lattice by high kinetic energy process (RF sputtering) exhibited better PEC performance than the diffusion of W6+ species into TiO2 lattice (wet impregnation). The presence of W element below 1 at% in TiO2 showed an improvement of photocurrent density and photoconversion efficiency because it acted as an effective mediator to trap the photo-induced electrons and minimize the recombination of charge carriers. By contrast, excessive content of WO3 loading on the wall surface of TiO2 nanotubes resulted in poor PEC water splitting performance because it formed independent layers that acted as recombination centers for the charge carriers.
Actions (login required)
 |
View Item |
![[img]](http://eprints.usm.my/style/images/fileicons/application_pdf.png)
