ขั้วแอโนดจากไทเทเนียมไดออกไซด์เจือด้วยคอปเปอร์/คอปเปอร์ออกไซด์เพื่อการสลายโมเลกุลน้ำด้วยกระบวนการไฟฟ้าเคมีทางแสง
Cu/CuO Doped TiO2 Photoanode for Photoelectrochemical Water Splitting
Abstract
การผลิตก๊าซไฮโดรเจนด้วยกระบวนการสลายโมเลกุลน้ำด้วยไฟฟ้าเคมีทางแสง (Photoelectrochemical Water Splitting; PEC) เป็นหนึ่งในการผลิตพลังงานทางเลือก ที่ตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม งานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาขั้วแอโนดที่กระตุ้นด้วยแสง (Photoanode) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เจือด้วยทองแดงในปริมาณต่างๆ (Cu/TiO2) ร่วมกับพอลิไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) ลงบนกระจกอินเดียมทินออกไซด์ (ITO Glass) ด้วยเทคนิคการหมุนเหวี่ยง (Spin Coating) สมบัติทางไฟฟ้าเคมีเชิงแสง (Photoelectrochemical Properties) ของฟิล์ม Cu/TiO2 วิเคราะห์ด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic Voltammetry; CV) และลิเนียร์สวิปโวลแทมเมตรี (Linear Sweep Voltammetry; LSV) พร้อมกับการฉายแสงยูวี 15 มิลลิวัตต์/ตารางเซนติเมตร พบว่า การปรับอัตราส่วนของ PVDF บนฟิล์ม 20 wt% ส่งผลให้ฟิล์มมีความเสถียร และมีค่ากระแสขณะฉายแสงสูงสุดภายหลังอัด-คายประจุ 10 รอบ และการเจือทองแดง 0.5–5 mol% ในอนุภาค TiO2 พบว่า อนุภาค Cu/TiO2 จะมีสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกันตามปริมาณทองแดง โดยฟิล์ม 1.5Cu/TiO2 เป็นฟิล์มที่เหมาะสมในการใช้เป็นขั้วแอโนดสำหรับการเกิดปฏิกิริยา Oxygen Evolution Reaction (OER) ซึ่งมีค่ากระแสขณะฉายแสงเท่ากับ 16.2 ไมโครแอมแปร์/ตารางเซนติเมตร ที่ 0.95 โวลต์ vs. Ag/AgCl ซึ่งมีค่าสูงมากกว่าฟิล์ม TiO2 ถึง 0.6 เท่า ยิ่งไปกว่านั้น ค่ากระแสรวมที่เกิดจากการป้อนศักย์ไฟฟ้าพร้อมกับฉายแสง มีค่าสูงถึง 0.23 มิลลิแอมแปร์/ตารางเซนติเมตร
Hydrogen production from the photoelectrochemical water splitting (PEC) is one of promising alternative fuels attributable to its feature as a demand-driven energy supply and being environmentally benign. This research aims to develop the photoanode electrode consisting of TiO2 particles doped with a various amount of copper (Cu/TiO2) and PVDF on the ITO glass by spin coating technique. Photoelectrochemical properties of Cu/TiO2 films were characterized by Cyclic Voltammetry (CV) and Linear Sweep Voltammetry (LSV) under UV irradiation with the intensity of 15 mW/cm2. The results showed that the appropriate amount of PVDF is 20 wt% due to the film stability and the highest photocurrent after 10 full charge/discharge cycles. The TiO2 particles doped with copper in the range of 0.5–5 mol% (0.5–5 Cu/TiO2) exhibited the difference in physical and chemical properties associated with Cu content. Moreover, the 1.5Cu/TiO2 film was considered as a promising photoanode for the Oxygen Evolution Reaction (OER) because the photocurrent of the film was 16.2 μA/cm2 with applied voltage at 0.95 V vs. Ag/AgCl, which is 0.6 times greater than that of the prestige TiO2 film. Furthermore, the total generated current resulting from the photocurrent and an applying a voltage at 0.95 V was 0.23 mA/cm2.
Keywords
[1] L. R. Sheppard and R. Wuhrer, “TiO2-based homojunction photo-electrode for solar-driven water splitting,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 16, pp. 9386–9396, 2020.
[2] P. Nikolaidis and A. Poullikkas, “A comparative overview of hydrogen production processes,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 67, pp. 597–611, 2017.
[3] J. Joy, J. Mathew and S. C. George, “Nanomaterials for photoelectrochemical water splitting – review,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, pp. 4804–4817, 2018.
[4] R. Singh and S. Dutta, “A review on H2 production through photocatalytic reactions using TiO2/TiO2- assisted catalysts,” Fuel, vol. 220, pp. 607–620, 2018.
[5] S. Zheng, X.B. Cao, J. Wu, L.W. Zhu, and L. Gu, “Preparation of hierarchical CuO@TiO2 nanowire film and its application in photoelectrochemical water splitting,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 26, no. 8, pp. 2094–2101, 2016.
[6] L. Yao, W. Wang, L. Wang, Y. Liang, J. Fu, and H. Shi, “Chemical bath deposition synthesis of TiO2/Cu2O core/shell nanowire arrays with enhanced photoelectrochemical water splitting for H2 evolution and photostability,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no. 33, pp. 15907–15917, 2018.
[7] Z. Li, J. Liu, D. Wang, Y. Gao, and J. Shen, “Cu2O/Cu/ TiO2 nanotube Ohmic heterojunction arrays with enhanced photocatalytic hydrogen production activity,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 8, pp. 6431–6437, 2012.
[8] Y. Yang, D. Xu, Q. Wu, and P. Diao, “Cu2O/CuO bilayered composite as a high-efficiency photocathode for photoelectrochemical hydrogen evolution reaction,” Scientific Reports, vol. 44, no. 39, pp. 21351–21378, 2019.
[9] J. Li, X. Jin, R. Li, Y. Zhao, X. Wang, X. Liu, and H. Jiao, “Copper oxide nanowires for efficient photoelectrochemical water splitting,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 240, pp. 1–8, 2019.
[10] P. Ngaotrakanwiwat, P. Heawphet, and P. Rangsunvigit, “Enhancement of photoelectrochemical cathodic protection of copper in marine cndition by Cu-doped TiO2,” Catalysts, vol. 10, no. 2, pp. 146, 2020.
[11] J. Inderherbergh, “Polyvinylidene fluoride (PVDF) appearance, general properties and processing,” Ferroelectrics, vol. 115, no. 4, pp. 295–302, 1991.
[12] P. Atkins, J. D. Paula, and J. Keeler, Atkins' Physical Chemistry, 11th ed. Oxford University press, 2018.
[13] J. Wu, C. Li, X. Zhao, Q. Wu, X. Qi, X. Chen, T. Hu, and Y. Cao, “Photocatalytic oxidation of gas-phase Hg0 by CuO/TiO2,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 176, pp. 559–569, 2015.
[14] L. Wang, K. Gupta, J. B.M. Goodall, J. A. Darr, and K. B. Holt, “In situ spectroscopic monitoring of CO2 reduction at copper oxide electrode,” Faraday Discuss, vol. 197, pp. 517–532, 2017.
[15] U. Shaislamov, K. Krishnamoorthy, S. J. Kim, S. Choi, W. Chun, and H.-J. Lee, “Growth of CuO/ZnO nanobranched photoelectrode with enhanced stability for solar hydrogen generation,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 16, no. 10, pp. 10541–10547, 2016.
[16] I. Ganesh, P. P. Kumar, I. Annapoorna, J. M. Sumliner, M. Ramakrishna, N. Y. Hebalkar, G. Padmanabham, and G. Sundararajan, “Preparation and characterization of Cu-doped TiO2 materials for electrochemical, photoelectrochemical, and photocatalytic applications,” Applied Surface Science, vol. 293, pp. 229–247, 2014
[17] J. M. Kum, S. H. Yoo, G. Ali, and S. O. Cho, “Photocatalytic hydrogen production over CuO and TiO2 nanoparticles mixture,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 31, pp. 13541–13546, 2013.
[18] M. Janczarek and E. Kowalska, “On the origin of enhanced photocatalytic activity of coppermodified titania in the oxidative reaction systems,” Catalysts, vol. 7, no. 11, pp. 317, 2017.
[19] V. Madhavi, P. Kondaiah, M. Ghosh, and G. M. Rao, “Hydrogen plasma-treated 1D/3D TiO2 nanorod array photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting,” Ceramics International, vol. 46, no. 11, pp. 17791–17799, 2020.
[20] T. Sh. Atabaev, D. H. Lee, and N. H. Hong, “Fabrication of TiO2/CuO photoelectrode with enhanced solar water splitting activity,” Functional Materials Letters, vol. 10, no. 6, pp. 1750084, 2017.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2021.02.001
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all