Zinātniskās darbības atbalsta sistēma
Latviešu English

Publikācija: Nanostrukturēta dzelzs oksīdu fotoanodu sintēze un īpašības

Publikācijas veids Promocijas darbs
Pamatdarbībai piesaistītais finansējums Nav zināms
Aizstāvēšana: 03.06.2015 14:30, Rīgas Tehniskās Universitātes Materiālzinātnes un Lietišķās ķīmijas fakultāte, Paula Valdena iela 3/7, 272. auditorija
Publikācijas valoda Latviešu (lv)
Nosaukums oriģinālvalodā Nanostrukturēta dzelzs oksīdu fotoanodu sintēze un īpašības, impulsu elektrolīzes un fotoelektrolīzes mehānismi
Nosaukums angļu valodā Synthesis and Properties of Nanostructured Iron Oxide Photoanodes; Mechanisms of the Pulse Electrolysis and Photo-Electrolysis
Pētniecības nozare 2. Inženierzinātnes un tehnoloģijas
Pētniecības apakšnozare 2.5. Materiālzinātne
Autori Mārtiņš Vanags
Atslēgas vārdi Impulsu elektrolīze, Elektriskais dubultslānis, Hematīts, Fotoanods
Anotācija Darbā pētīta robežvirsma cieta viela/šķidrums divos praksē plaši izmantotos gadījumos atjaunojamās enerģētikas jomā – ūdens elektrolīzē un fotoelektrolīzē. Šīs jomas svarīgumu nosaka nepieciešamība uzkrāt enerģiju tās efektīgākā nesēja – ūdeņraža – veidā. Pētot ūdens impulsu elektrolīzes efektivitāti, darbā izstrādāta induktīva sprieguma impulsa ģenerācijas shēma un noskaidrots, ka pievadot induktīvu sprieguma impulsu ūdens elektrolīzes šūnai, iespējams laikā atdalīt divus atšķirīgus procesus. Pirmais ir strauja elektrolīzes šūnas ģeometriskās kapacitātes uzlāde (līdz 1,5μs), kas uzkrāj impulsa enerģiju, un otrs ir sekojoša lēna izlāde starplaikā starp impulsiem (līdz 50μs), kad uzkrātā enerģija tiek izmantota ūdens elektrolīzei. Tādējādi pirmo reizi parādīts, ka induktīva sprieguma impulsa laikā notiek ūdens elektrolīzes šūnas ģeometriskās kapacitātes uzlādes procesa atdalīšana no elektroda elektriskā dubultslāņa uzlādes un lādiņa pārneses procesiem. Izstrādāta metode impulsa ūdens elektrolīzes salīdzināšanai ar līdzsprieguma ūdens elektrolīzi, izmantojot strāvas un sprieguma impulsu efektīvās vērtības. Lai iegūtu uzlabotus elektrodus ūdens fotoelektrolīzei, mūsu darbā izmantotas un salīdzinātas dažādas metodes: izsmidzināšanas pirolīze, katodiska galvanizācija un anodiska galvanizācija. Izmantojot šīs metodes, iegūtas α-Fe2O3 plānas kārtiņas pielietojumiem ūdens fotolīzes šūnā anoda lomā. Noskaidrots, ka ar elektrogalvanizācijas metodi iegūst tīras α-Fe2O3 plānās kārtiņas ar trīs reizes lielāku fotostrāvu kā ar izsmidzināšanas pirolīzi. Parādīts, ka ar katodisku sprieguma impulsu galvanizācijas procesā iegūtu kārtiņu fizikālās un fotoelektroķīmiskās īpašības mainās, mainot impulsa frekvenci - palielinot to, samazinās vidējais kristalīta izmērs, virsmas morfoloģija kļūst homogēnāka un aug fotostrāvas vērtības. Izteikti lielāka fotostrāva iegūta, galvanizācijas procesā izmantojot dažādas amplitūdas impulsus ar pretēju polaritāti. Pirmo reizi foto-elektrodu pētījumos α-Fe2O3 plānās kārtiņas leģētas ar itrija joniem. Noskaidrots, ka Fe3+ aizvietošana ar Y3+ samazina skābekļa vakanču koncentrāciju, kā rezultātā samazinās pamat-lādiņnesēju koncentrācija materiālā un palielinās barjeras slāņa biezums. Y piemaisījuma ietekmē plakanas zonas potenciāls nobīdās katodiskā virzienā un aug barjeras slāņa biezums, kā rezultāta efektīvāk atdalās gaismas ierosinātie elektronu – caurumu pāri. Pie lielākām Y koncentrācijām tie sāk darboties kā rekombinācijas centri gaismas ierosinātiem lādiņnesējiem, samazinot fotoaktivitāti.
Anotācija angļu valodā Interface between solid/liquid is studied for two in practice widely used the renewable energy technologies - water electrolysis and photolysis. Importance of these both is determined by the need to accumulate the energy in its most effective way – energy carrier hydrogen. Inductive voltage pulse generating circuit is developed in this work to study the efficiency of water pulse electrolysis. From experimental results found that by providing inductive voltage pulse to water electrolysis cell, it is possibly separation of two distinct processes. The first is the rapid charging (up 1,5μs) of geometric capacitance of electrolysis cell, which accumulates the pulse energy, and second is subsequent slow discharge period between pulses (up to 50μs), when stored energy is used for water electrolysis. Thus, for the first time it is demonstrated that inductive voltage pulse applied to water electrolysis cell is separating charging process of cell’s geometric capacitance from charging electrode’s electric double-layer and charge transfer processes. A method is developed to compare direct current and pulse water electrolysis methods using effective values of current and voltage pulses. In order to obtain improved electrodes for photo-electrolysis of water, different methods are used and compared: spray pyrolysis, cathodic and anodic galvanization. Using these methods α-Fe2O3 thin films are derived for application as anode in water photolysis cell. It is estimated that pure α-Fe2O3 thin films produced with electroplating method has increase in the photocurrent at least three-fold comparing by the spray pyrolysis. It is shown that physical and photo-electrochemical properties of thin α-Fe2O3 film change by changing the pulse frequency at the cathodic voltage pulse plating method - increasing pulse frequency will reduce the average crystallite size, surface morphology becomes more homogeneous and photocurrent rises up. Markedly higher photocurrent is obtained using different amplitude pulses with opposite polarity in plating process. For the first time in photo-electrode studies thin films of α-Fe2O3 are doped with yttrium ions. It is estimated that Y3+ ion incorporate into the place of Fe3+ in hematite crystal structure reducing the concentration of oxygen vacancies, thereby decreasing concentration of intrinsic charge carriers and increasing the barrier layer thickness. Flat band potential at interface semiconductor/electrolyte is affected by Y impurity – shift to cathodic potential direction is observed, resulting in effective separating of light-induced electron-hole pairs. At higher concentrations Y begin to act as recombination center for light-induced charge carriers, reducing photo-activity.
Atsauce Vanags, Mārtiņš. Nanostrukturēta dzelzs oksīdu fotoanodu sintēze un īpašības, impulsu elektrolīzes un fotoelektrolīzes mehānismi. Promocijas darbs. Rīga: [RTU], 2015. 164 lpp.
Pilnais teksts Pilnais teksts
Kopsavilkums Kopsavilkums
ID 20369