تأثير سمك الإلكترود على البنية وأداء تحليل الماء في أفلام أكسيد الإيريديوم النانوية
Title The Influence of Electrode Thickness on the Structure and Water Splitting Performance of Iridium Oxide Nanostructured Films
الباحث الرئيس محمد شعبان سعيد فاضل
التخصص: الفيزياء
التخصص الدقيق: علوم المواد وفيزياء النانو
المستخلص: : من أجل بيئة آمنة، يجب أن يكون توجه البشرية نحو تقنيات الطاقة المتجددة. يُعد تحليل الماء (WS) باستخدام قطب كهروضوئي ذو سمك، شكل، وموصلية مناسبة أمرًا ضروريًا لإنتاج الهيدروجين بكفاءة .في هذه الدراسة، تم صب أفلام أكسيد الإيريديوم (IrOx) عالية الموصلية على ركائز زجاجية باستخدام تقنية الطلاء بالدوران. أظهرت صور FE-SEM أن الأفلام تتمتع بشكل نانوي على هيئة قضبان وسمك مختلف .كشفت أطياف UV-Vis أن الامتصاص والانعكاس الضوئي للأفلام يعتمدان على سمكها. تم زيادة فجوة النطاق البصري (Eg) من 2.925 eV إلى 3.07 eV عن طريق تغيير سرعة دوران (SS) الركائز ضمن نطاق 1.5 × 10³–4.5 × 10³ دورة في الدقيقة .أظهرت أطياف الميكرو رامان أن الأفلام غير متبلورة، حيث انزاحت وضعية اهتزاز Eg لتمدد Ir–O إلى الأحمر من 563 cm⁻¹ (للكريستال المفرد من IrO₂ الروتيل) إلى 553 cm⁻¹.
تم استخدام أفلام IrOx في تطوير عوامل تحفيزية كهروضوئية (PEC) لإنتاج الهيدروجين في محلول 0.5M من كبريتات الصوديوم الهيدراتية (Na₂SO₃·7H₂O) في نظام ثنائي القطب، حيث أظهرت نشاطًا عالٍ في تفاعل تقييم الهيدروجين (HE)، والذي يتناسب طرديًا مع سمك وامتصاص القطب الكهروضوئي IrOx المستخدم، كما أظهرت كفاءة تحويل الفوتونات الساقطة إلى تيار (IPCE%) بنسبة 7.069% عند 390 نانومتر و−1 فولت .أفضل خصائص الإلكترود الأمثل (الأكثر سمكًا وامتصاصًا) تمثلت في كثافة التيار الضوئي (Jph = 2.38 mA/cm² عند −1 فولت مقابل البلاتين) ومعدل إنتاج الهيدروجين PEC (83.68 mmol/h·cm² عند 1 فولت . عند −1 فولت و500 نانومتر، كانت كفاءة تحويل الفوتونات الممتصة إلى تيار (APCE%) 7.84% . كما تمت دراسة ثبات الإلكترود، العوامل الديناميكية الحرارية، كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين (STH)، والتحليلات الطيفية لممانعة الإلكترود الكهروكيميائية (EISs).
Abstract: For a safe environment, humanity should be oriented towards renewable energy technology. Water splitting (WS), utilizing a photoelectrode with suitable thickness, morphology, and conductivity, is essential for efficient hydrogen production. In this report, iridium oxide (IrOx) films of high conductivity were spin-cast on glass substrates. FE-SEM showed that the films are of nanorod morphology and different thicknesses. UV-Vis spectra indicated that the absorption and reflectance of the films depend on their thickness. The optical band gap (Eg) was increased from 2.925 eV to 3.07 eV by varying the spin speed (SS) of the substrates in a range of 1.5 × 103–4.5 × 103 rpm. It was clear from the micro-Raman spectra that the films were amorphous. The Eg vibrational mode of Ir–O stretching was red-shifted from 563 cm−1 (for the rutile IrO2 single crystal) to 553 cm−1. The IrOx films were used to develop photoelectrochemical (PEC) hydrogen production catalysts in 0.5M of sodium sulfite heptahydrate Na2SO3·7H2O (2-electrode system), which exhibits higher hydrogen evaluation (HE) reaction activity, which is proportional to the thickness and absorbance of the used IrOx photocathode, as it showed an incident photon-to-current efficiency (IPCE%) of 7.069% at 390 nm and −1 V. Photocurrent density (Jph = 2.38 mA/cm2 at −1 V vs. platinum) and PEC hydrogen generation rate (83.68 mmol/ h cm2 at 1 V) are the best characteristics of the best electrode (the thickest and most absorbent IrOx photocathode). At −1 V and 500 nm, the absorbed photon-to-current conversion efficiency (APCE%) was 7.84%. Electrode stability, thermodynamic factors, solar-to-hydrogen conversion efficiency (STH), and electrochemical impedance spectroscopies (EISs) were also studied.