Synthesis and control of nanostructured mixed metal oxide photocatalysts

Abstract

Die photokatalytische Wasserspaltung ist ein vielversprechender Weg zur Erzeugung von Wasserstoff, welche eine umweltfreundliche Möglichkeit zur Speicherung von Sonnenenergie zur verfügung stellt, und gleichzeitig die Abhängigkeit von konventionellen fossilen Brennstoffen zur Stromerzeugung signifikant reduziert. Vielversprechende, im sichtbaren Licht aktive Photokatalysatoren sind einige Halbleiter, deren optoelektronische und katalytische Eigenschaften geeignet sind, Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu erzeugen. In der engeren Auswahl der Materialien spielen die Umweltfreundlichkeit und der Preis des Materials eine wichtige Rolle. BiVO4 hat eine geeignete Bandlücke um Wasser zu oxidieren, ausserdem ist die Herstellung billig und zeiteffizient, das resultierende materialist nicht giftig. NiFe2O4 ist geeignet aus Wasser, Wasserstoff zu entwickeln. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich die Änderungen des pH-Werts der Lösung, der Mikrowellenbestrahlungszeit, der Art des Lösungsmittels und des Tensids während der mikrowellenunterstützten Synthese von BiVO4 auf die Morphologie, die Phasenreinheit, die Bandlücke und die Leistung bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion auswirken. Des Weiteren wurde die mikrowellenunterstützte Synthese ,die bereits für NiFe2O4 berichtet wurde, optimiert. Bei der pH abhängigen Synthese wurde erwartet, dass monoklines BiVO4 ensteht, welches eine oktahedrische Morphologie aufweist. Dies war nur bei dem pH Bereich 0.08 bis 0.88 gegeben. Die Zeit abhängige Synthese wurde durchgeführt um den Bildungsmechanismus des BiVO4 zu verfolgen und zu verstehen. Bereits eine Mikrowellenbestrahlung von 2 minuten während der Synthese führte zu einphasigem monoklinen BiVO4 mit einer gut definierten oktaedrischen Struktur, die eine ausgezeichnete Sauerstoffentwicklungsaktivität aufwies. Zusätzlich waren 10 sekunden von mikrowellenbestrahlung genug um polyhedron förmige partikel zu synthetisieren. Die Lösungsmittelabhängige synthese wurde durchgeführt um den Kristallfacettenwachstum zu kontrollieren, allerdings resultierten die so erhaltenen halbleiter in der scheelite tetragonalen Phase. Bei der allgemeinen Untersuchung der Sauerstoffentwicklungsaktivität wurde festgestellt, dass die monokline Phase im Vergleich zum Komposit aus monoklinem und tetragonalem BiVO4 und im Vergleich zur tetragonalen Phase eine viel bessere Sauerstoffentwicklungsaktivität aufweist. Gegenüber anderen Morphologien der monoklinen Phase wies die oktaedrische Morphologie bessere Sauerstoffentwicklungsaktivitäten auf, wobei die photokatalytische aktivität linear mit der exposition der 010 facetten anstieg. Bei der Ermittlung der Sauerstoffentwicklungsaktivität als Funktion des Bandlückenwertes und der Kristallitgröße wurde festgestellt, dass die Sauerstoffentwicklungsaktivität mit zunehmender Kristallitgröße und Bandlücke ansteigt.

Photocatalytic water splitting is a promising way to generate hydrogen, which provides an environmentally friendly way to store solar energy while significantly reducing dependence on conventional fossil fuels for power generation. Promising visible-light active photocatalysts are semiconductors whose optoelectronic and catalytic properties are suitable for generating hydrogen and oxygen from water. In the shortlist of materials, the environmental friendliness and the price of the material play an important role. BiVO4 has a suitable band gap to oxidize water. In addition, the production is cheap and time-efficient, the resulting material is non-toxic. NiFe2O4 is suitable to evolve hydrogen from water. In the present work, it was investigated, how the changes of the solution pH, microwave irradiation time, type of solvent and surfactant have an effect during microwave assisted synthesis of BiVO4 on the morphology, phase purity, band gap and performance in oxygen evolution reaction (OER) activity. Furthermore, the microwave assisted synthesis, which was reported earlier for NiFe2O4 was optimized. In the pH-dependent synthesis, it was expected that monoclinic BiVO4 would be formed, which has an octahedral morphology. This was only the case for the pH range 0.08 to 0.88. Time-dependent synthesis was performed to follow and understand the formation mechanismof BiVO4. Microwave irradiation for as little as 2 min during the synthesis resulted in pure phase monoclinic BiVO4 with a well-defined octahedral structure that exhibited excellent oxygen evolution activity. In addition, 10 seconds of microwave irradiation was enough to synthesize polyhedron shaped particles. The solvent-dependent synthesis was performed to control crystal facet growth, however, those obtained resulted in the scheelite tetragonal phase. In the general investigation of oxygen evolution activity, the monoclinic phase was found to have much better oxygen evolution activity compared to the composite of monoclinic and tetragonal BiVO4 and compared to the tetragonal phase. Compared to other morphologies of the monoclinic phase, the octahedral morphology exhibited better oxygen evolution activities, with the photocatalytic activity increasing linearly with the exposure of the 010 facets. When investigating the oxygen evolution activity as a function of the band gap value and crystallite size, the oxygen evolution activity was found to increase with increasing crystallite size and band gap.