Synthesis and Characterization of Doped Defective Titania Based Photocatalysts for Hydrogen Generation

Abstract

Sera gazlarındaki artış, sürdürülemez fosil yakıtların yaygın kullanımıyla yoğunlaşarak sera etkisini artırmış ve bu da küresel ısınma ve iklim değişikliğine yol açmıştır. Yapay fotosentez, küresel CO2 seviyelerini azaltırken metan, metanol ve hidrojen gibi yenilenebilir, sürdürülebilir yakıtlar üretmek için umut verici bir tekniktir. Benzersiz optik ve kimyasal özellikleriyle bilinen titanyum bazlı fotokatalitik malzemeler, yapay fotosentezde yaygın olarak kullanılmakta olup, yakın zamanda sentezlenen siyah nano titanya malzemeleri de dahil olmak üzere nano tasarımlı hatalı TiO2 yapıları, UV veya güneş ışığı ile çalışan fotokatalitik hidrojen üretimi için en umut verici adaylardan bazıları olarak ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, hatalı TiO2 bazlı fotokatalizörler sentezlenmiş ve geliştirilmiş fotokatalitik verimlilik potansiyellerini araştırmak için karakterize edilmiştir. Saf TiO2, hidrosol ve çöktürme yöntemleri kullanılarak sentezlenmiş, ardından kusurların oluşturulması için NaBH4 indirgeme maddesi ile indirgenmiştir. Hidrosol yöntemiyle üretilen hatalı TiO2 nanomalzemeler, indirgeme sıcaklığı ve TiO2-NaBH4 ağırlık oranı gibi indirgeme koşullarının optimize edilmesine odaklanırken, çöktürme yöntemi ön ısıtma işlemi ve indirgeme stratejileri içermektedir. Malzemelerin yapısal/optik özelliklerini analiz etmek için XRD, SEM, BET, ATR-FTIR, PL, UV-Vis spektroskopisi ve GC analizi gibi gelişmiş karakterizasyon teknikleri uygulanmıştır. Hidrosol yöntemiyle üretilen hatalı TiO2 nanomalzemeler, 325°C indirgeme sıcaklığında ve TiO2-NaBH4 (1:1) ağırlık oranıyla en yüksek hidrojen verimini elde etmiştir. Çökeltme yöntemiyle üretilen hatalı TiO2 nanomalzemeler ise 500°C'de ön ısıtma sonrasında optimum aktivite göstermiştir. Zr/Nd katkı maddesiyle yapılan katkılama çalışmaları, katkılanmamış fotokatalizörlere kıyasla hidrojen üretim verimliliğini artırmıştır.

The increase in greenhouse gases caused by the extensive use of nonsustainable fossil fuels has intensified the greenhouse effect, leading to global warming and climate change. Artificial photosynthesis is a promising technique for producing renewable, sustainable fuels like methane, methanol, and hydrogen while reducing global CO2 levels. Titania-based photocatalytic materials, known for their unique optical and chemical properties, are widely utilized in artificial photosynthesis, with nano-designed defective TiO2 structures, including recently synthesized black nano titania materials, emerging as some of the most promising candidates for UV or solar light-driven photocatalytic hydrogen production. In this study, defective TiO2-based photocatalysts were synthesized and characterized to investigate their potential for enhanced photocatalytic efficiency. Pure TiO2 was synthesized using the hydrosol and precipitation methods, followed by reduction with NaBH4 as the reducing agent to introduce defects. The defective TiO2 nanomaterials via the hydrosol method focused on optimizing reduction conditions, including reduction temperature and TiO2-to-NaBH4 weight ratio, while the precipitation method involved preheat treatment and reduction strategies. Advanced characterization techniques such as XRD, SEM, BET, ATR-FTIR, PL, UV-Vis spectroscopy, and GC analysis were conducted to analyze the structural/optical properties of the materials. The defective TiO2 nanomaterials via the hydrosol method achieved the highest hydrogen yield at a reduction temperature of 325°C with a TiO2-to-NaBH4 weight ratio of (1:1). The defective TiO2 nanomaterials via precipitation method demonstrated optimal activity after preheating at 500°C. Doping studies were conducted with Zr/Nd as dopants, synthesized via the hydrosol method. These dopants enhanced hydrogen production efficiency compared to undoped photocatalysts.