Valokatalyyttisen vedyntuotannon tehostaminen nanopartikkelipinnan magneettisia ja plasmonisia ominaisuuksia muokkaamalla : Nanopartikkelien vaikutus valokatalyytin peittyvyyteen
Saikkonen, Miska (2024)
2024
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-12-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2024121811389
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-2024121811389
Tiivistelmä
Maailman energiantarve kasvaa, samalla kun fossiilinen energiantuotanto halutaan ajaa kokonaan alas. Nykyiset uusiutuvat energiantuotantomenetelmät eivät kata tarvetta – päinvastoin fossiilisten energianlähteiden käyttö kasvaa edelleen. Yksi lupaavimmista mahdollisuuksista energiakriisin mullistamiseksi on vetytalous, ja valokatalyysi nanopartikkelipinnalla on potentiaalinen vedyntuotantomenetelmä.
Kirjallisuuteen perustuen valokatalyysiin nanopartikkelipinnalla, erityisesti titaanidioksidi (TiO2) -ohutkalvolla, liittyy kaksi keskeistä haastetta, joiden vuoksi valokatalyyttivaste on alhainen. Ensinnäkin titaanidioksidi on valoaktiivinen vain UV -valolla, jota on noin 3-5% auringon säteilystä. Toiseksi valon virittämät elektroni-aukkoparit rekombinoituvat herkästi, mikä estää varauksenkuljettajia osallistumasta vedyntuotannon perustana oleviin hapetus-pelkistysreaktioihin.
Absorptiospektriä voidaan laajentaa plasmonisilla ominaisuuksilla, ja rekombinaatiota voidaan tukahduttaa magneettisilla ominaisuuksilla. Siksi tässä työssä keskitytään näiden ominaisuuksien muokkaamiseen kasvattamalla valokatalyytin pinnalle magneettisia ja plasmonisia nanopartikkeleita. Koska vedyntuotannon perustana olevat hapetus- ja pelkistysreaktiot ovat pintareaktioita, on kiinnostavaa, miten nanopartikkelit vaikuttavat pinnan koostumukseen.
Tutkimuksessa kasvatettiin ALD -menetelmällä kuusi titaanidioksidi -ohutkalvonäytettä. Neljään näytteeseen kasvatettiin KP -polttimella vain Ag -nanopartikkeleita, yhteen vain FeOx -nanopartikkeleita, ja yhteen molempia. Kaikki näytteet valmistettiin Tampereen Yliopiston Pintatieteiden Laboratoriossa, jossa myös mitattiin pelkällä hopealla pinnoitettujen näytteiden XPS -spektrit. FeOx, ja FeOx+Ag -näytteiden spektrit mitattiin Ruotsin MAX IV -synkrotronin Fi-nEstBeAMS -sädelinjalla.
Mitatuista spektreistä analysoitiin kunkin aineen pitoisuudet näytteen pinnalla. Pelkillä hopeapartikkeleilla pinnoitettujen näytteiden tuloksia vertailemalla huomattiin, että LFS -kasvatussyklejä lisättäessä hopean peittävyys kasvaa aluksi nopeammin, mutta sitten hitaammin, kun alkaa muodostua suurempia hopeapartikkeleita. Nanopartikkelien kasvatuksen aiheuttamat muutokset pinnan koostumuksessa ovat olennaisia, kun halutaan optimoida magnetoplasmonisen valokatalyytin aktiivisuutta.
Kirjallisuuteen perustuen valokatalyysiin nanopartikkelipinnalla, erityisesti titaanidioksidi (TiO2) -ohutkalvolla, liittyy kaksi keskeistä haastetta, joiden vuoksi valokatalyyttivaste on alhainen. Ensinnäkin titaanidioksidi on valoaktiivinen vain UV -valolla, jota on noin 3-5% auringon säteilystä. Toiseksi valon virittämät elektroni-aukkoparit rekombinoituvat herkästi, mikä estää varauksenkuljettajia osallistumasta vedyntuotannon perustana oleviin hapetus-pelkistysreaktioihin.
Absorptiospektriä voidaan laajentaa plasmonisilla ominaisuuksilla, ja rekombinaatiota voidaan tukahduttaa magneettisilla ominaisuuksilla. Siksi tässä työssä keskitytään näiden ominaisuuksien muokkaamiseen kasvattamalla valokatalyytin pinnalle magneettisia ja plasmonisia nanopartikkeleita. Koska vedyntuotannon perustana olevat hapetus- ja pelkistysreaktiot ovat pintareaktioita, on kiinnostavaa, miten nanopartikkelit vaikuttavat pinnan koostumukseen.
Tutkimuksessa kasvatettiin ALD -menetelmällä kuusi titaanidioksidi -ohutkalvonäytettä. Neljään näytteeseen kasvatettiin KP -polttimella vain Ag -nanopartikkeleita, yhteen vain FeOx -nanopartikkeleita, ja yhteen molempia. Kaikki näytteet valmistettiin Tampereen Yliopiston Pintatieteiden Laboratoriossa, jossa myös mitattiin pelkällä hopealla pinnoitettujen näytteiden XPS -spektrit. FeOx, ja FeOx+Ag -näytteiden spektrit mitattiin Ruotsin MAX IV -synkrotronin Fi-nEstBeAMS -sädelinjalla.
Mitatuista spektreistä analysoitiin kunkin aineen pitoisuudet näytteen pinnalla. Pelkillä hopeapartikkeleilla pinnoitettujen näytteiden tuloksia vertailemalla huomattiin, että LFS -kasvatussyklejä lisättäessä hopean peittävyys kasvaa aluksi nopeammin, mutta sitten hitaammin, kun alkaa muodostua suurempia hopeapartikkeleita. Nanopartikkelien kasvatuksen aiheuttamat muutokset pinnan koostumuksessa ovat olennaisia, kun halutaan optimoida magnetoplasmonisen valokatalyytin aktiivisuutta.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [9897]