بخشی از مقاله
خلاصه:
امروزه با توجه به بحران انرژي در زمینه اتمام منابع انرژیهاي فسیلی و سهم عمده آنها در آلودگی هاي زیست محیطی و گازهاي گلخانه اي استفاده از منابع انرژي جدید و تجدیدپذیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. از این میان هیدروژن به دلیل فراوانی، مصرف منحصر به فرد، انتشار بسیار ناچیز آلاینده ها، چرخه تولید برگشت پذیر و کاهش اثرات گلخانه اي یکی از گزینه هاي بسیار قدرتمند براي تامین انرژي در آیندهاي نزدیک است.
در این پژوهش از روشی پر بازده براي تولید لایههاي هاي نازك هماتیت که به دلیل ارزان بودن، غیر سمی بودن، پایداري در محلولهاي شیمیایی و شکاف باند مناسب به عنوان فتوآندهایی با بازده بالا براي تولید هیدروژن با استفاده از تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب نقشآفرینی می کنند، استفاده شده است. مشخصه یابی لایههاي نازك هماتیت با استفاده از روشهاي XRD، UV-Vis و تست تخصصی فوتوالکتروشیمایی - - PEC انجام شد. نتایج نشان داد روش رسوب بخار شیمیایی یک روش کارآمد براي ساخت فوتوآند لایه نازك هماتیت با بازده بالا براي تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب میباشد.
.1 مقدمه
مصرف جهانی انرژي به دلیل رشد عمومی جمعیت و نیاز به برآوردن رفاه اجتماعی در حال افزایش است. در حال حاضر نرخ سالانه مصرف انرژي در جهان حدود 17 TW است که پیش بینی می شود در سال 2050 به میزان 50 TW برسد .[1] حدود 87% مصرف فعلی انرژي جهان از سوختهاي فسیلی حاصل میشود. مصرف بی رویه این منابع انرژي امروزه با مسایل جدي روبرو شده است. از طرفی میزان این منابع سوخت فسیلی محدود میباشد و از طرف دیگر مصرف این منابع سوخت فسیلی به دلیل ایجاد اثراتی مثل گازهاي گلخانهاي، بارانهاي اسیدي و غلظت زیاد اوزون در شهرهاي صنعتی مخاطرات جدي براي محیط زیست انسانی ایجاد کرده است.[2]
یکی از روش هاي تولید هیدروژن، تجزیه فوتوالکتروشیمایی آب با استفاده از طیف نور خورشید است. سلول فوتوالکتروشیمیایی گونهاي از سلول هاي خورشیدي با سازوکاري مشابه فوتوسنتز گیاهان میباشد. این سلولها با جذب نور باعث ایجاد واکنش شیمیایی در محیط شده و شرایط را براي تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن مهیا میسازند.[3] سلول فوتوالکتروشیمیایی شامل یک آند حساس به نور - فوتوآند - و یک کاتد غوطه ور در یک الکترولیت می باشد که به یک مدار خارجی متصل است.
به طور معمول فوتوآند به یک نیمهرسانا متصل است که با جذب نور خورشید، باعث برانگیختگی الکترونها و ایجادحفره میشود. حفرهها با انجام واکنش اکسایش باعث تجزیه آب به یون هاي اکسیژن و هیدروژن میشوند. الکترونها از طریق مدار خارجی به کاتد که به یک فلز متصل است مهاجرت کرده و با فرآیند کاهش یونهاي هیدروژن، مولکول هیدروژن را ایجاد میکنند. براي افزایش نرخ انتقال الکترونها به منظور افزایش کارایی، کاهش نرخ بازترکیب حفرههاي الکترونی ضروري به نظر میرسد.
راههاي زیادي براي تبدیل آب به هیدروژن از طریق تابش نور خورشید وجود دارد که عبارتند از: تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب، تجزیه فوتوکاتالیستی آب، سیستمهاي جفت شده الکترولیز - فوتوولتایی، تبدیل ترموشیمی، روشهاي فوتوبیولوژیکی و فوتوسنتز مصنوعی مولکولی. روش اول یعنی تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب، داراي مزیتهاي بیشتري نسبت به دیگر روشهاي مذکور دارد. اصلیترین مزیت این روش، تولید فوتوالکتروشیمیایی هیدروژن و اکسیژن بر روي الکترودهاي جداگانه می باشد .[5]
حال استفاده از یک اکسید فلزي براي ساخت فوتوآند با بهره گیري از نورخورشید براي واکنش با آب و تولید هیدروژن مورد توجه قرار میگیرد. یک فوتوآند ایدهآل باید داراي گاف انرژي مناسب، توانایی جذب نور مرئی، موقعیت لبه نوار مناسب براي اکسیداسیون آب، تولید سریع حفرههاي الکترونی در نیمهرسانا، پایداري شیمیایی بالا در آب و سازگاري با محیط باشد. ترکیبات اکسیدي نیمهرساناها مانند هماتیت ، ، ، و ...، گزینهي مناسبی براي استفاده در فوتوآندها میباشند .[6] تجزیه آب در سامانه هاي سلول هاي الکتروشیمیایی شامل سه جزء اصلی آب به عنوان الکترولیت و دو الکترود جداگانه که در آنها واکنشهاي اکسایش - الکتروآند - و کاهش - الکتروکاتد - انجام می گیرد، می باشد .[2,5]
واکنش تجزیه آب داراي انرژي آزاد گیبس برابر با 1.23 eV است. این مقدار از میزان اختلاف بین سطوح انرژي واکنشهاي اکسایش و کاهش آب به دست می آید. همانطور که در شکل شماره 1 نمایان است، مفهوم تجزیه خورشیدي آب آن است که حاملهاي بار از تابش نور خورشید بر نیمه هادي و تولید جفت الکترون- حفره ایجاد میشوند. پس از جذب نور توسط نیمه هادي، الکترونها از باند ظرفیت برانگیخته شده و وارد باند هدایت میشوند.
سپس بارهاي تولید شده نوري، براي انجام واکنشهاي اکسایش آب در سطح فوتوآند و واکنش کاهش آب در سطح کاتد به کار میروند. تیتانیوم دي اکسید به عنوان اولین تولید کننده هیدروژن که فرآیند تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب معرفی شد .[7] نیمه هادي هاي اکسید فلزي داراي پایداري خوبی در محیطهاي آبی و در اندرکنش با نور خورشید هستند. متاسفانه برخی از نیمه هادي ها براي نمونه اکسید تنگستن با گاف انرژي 2.6 الکترون ولت، تیتانیوم دي اکسید با گاف انرژي3.2 الکترون ولت بازده تبدیل انرژي خورشیدي آنها پایین است. به طوري که طبق محاسبات تئوري بازده تبدیل انرژي در حد 3.4% براي و % 10.2 براي پیش بینی شده است. هرچند که با محاسبات دقیق تر و با در نظر گرفتن تلفات سینتیکی حداکثر بازده نظري براي تنها در حد 5% است.[8]
هیدروژن اکسیژن شکل : - 1 - فرآیندهاي فیزیکی – شیمیایی و دیاگرام سطوح انرژي در سیستم تجزیه آب با استفاده از یک نیمه هادي براي انجام واکنش هاي اکسایش و کاهش اکسید آهن ماده اي نوید بخش براي برآورده کردن شرایط گفته شده براي فوتوآندهاي سلول فوتوالکتروشیمیایی است. از آنجا که آهن ماده اي است که به سادگی اکسید میشود و یونهاي آهن به حالتهاي باردار مختلف از جمله و وجود دارند، شکلهاي زیادي از اکسید آهن در طبیعت و نیز در آزمایشگاهها به صورت سنتز شده یافت میشود.
در واقع آهن از عناصر فروان در زمین می-باشد 16% - وزنی - و اکسیدآهن در همه جاي اطراف ما وجود دارد. از طرفی اکسیدآهن داراي پایداري بالایی در محلولهاي شیمیایی است. این مزیتها آن را به عنوان یکی از مواد مناسب براي تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب معرفی کرده است. شکاف باند انرژي هماتیت در حد 2.15 eV است که بازده تقریبی تبدیل انرژي خورشیدي به هیدروژن در حد%16.8 را پیش بینی می کند. در این پژوهش امکان سنتز هماتیت با رسوب بخار شیمیایی و تاثیر ضخامت ماده ي سنتز شده در تجزیه آب مورد بررسی قرار گرفت. نمونه هاي سنتز شده با استفاده از پراش اشعه ي X، طیف جذبی و تست تخصصی تجزیه فوتوالکترشیمیایی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت.
