Sinteza, struktura, karakterizacija i fotoelektrohemijska primena debelih slojeva pseudobrukita, Fe2TiO5
Synthesis, structure, characterization and photoelectrochemical application of pseudobrookite Fe2TiO5, thick layers
Докторанд
Vasiljević, Zorka Ž.Ментор
Rogan, JelenaЧланови комисије
Nikolić, Maria VesnaGrgur, Branimir N.
Dapčević, Aleksandra
Labus, Nebojša
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
U poređenju sa fotonaponskim ćelijama, fotoelektrohemijske ćelije predstavljaju
efikasan vid pretvaranja sunčeve energije u električnu, jer se pored energije dobija i
vodonik koji se može iskoristiti kao gorivo. Fotoelektrohemijske ćelije sastoje se od
poluprovodničke anode (p- ili n-tipa) koja apsorbuje svetlost, pri čemu se konverzija
energije odigrava na granici faza poluprovodnik-elektrolit.
U ovoj doktorskoj disertaciji primenjena su tri istraživačka pravca za dobijanje
filmova u svojstvu fotoaktivnih anoda. Prvi istraživački pravac bio je priprema
nanočestičnog poluprovodnika - pseudobrukita, Fe2TiO5, reakcijom u čvrstom stanju
između anatasa, TiO2 i hematita, α-Fe2O3. Analiza dobijanja najpre je praćena na
tabletama radi optimizacije sastava, temperature i vremena sinterovanja. Ispitan je uticaj
promene temperature sinterovanja (750 – 1250 C) na fazni sastav, temperaturu faznog
prelaza, morfologiju, kao i električna svojstva sinterovanih uzoraka. Izabrane su dve
oksidne smeše ... maseni odnos prahova 40%α-Fe2O3/60%TiO2 (4F6T) i
60%α-Fe2O3/40%TiO2 (6F4T) što približno odgovara molskom odnosu početnih
prahova hematita i anatasa od 1:3 i 1,5:2, sa ciljem da se dobije pseudobrukit i analizira
uticaj viška anatasa. Uzorci sinterovani na temperaturi 850 C sadržali su rutil i
pseudobrukit sa rombičnom strukturom čime je potvrđeno da gvožđe ubrzava faznu
transformaciju anatasa u rutil pri čemu se formira i pseudobrukitna faza. Dalje povišenje
temperature uticalo je na povećanje gustine uzoraka, promene u veličini zrna i
smanjenje električne otpornosti.
Drugi istraživački pravac bio je priprema elektrodnih filmova sitoštampanjem
pasti koje su dobijene mešanjem homogenizovanih prahova sa organskom smolom
(butil celuloza), rastvaračem (terpinol) i malom količinom veziva – ROSiO2B2O3
staklo (RO-oksid retkih zemalja). Dobijene paste deponovane su sitoštampom na
supstrat od alumine i potom sinterovane u hibridnoj peći 60 minuta u temperaturnom
opsegu 800 – 950 C. Rendgenskom difrakcionom analizom utvrđeno je da se na
800 C formira monoklinični pseudobrukit i da je završena fazna transformacija anatasa
u rutil, kao i da je dalje povišenje temperature utiče na prelaz monokliničnog u rombični
pseudobrukit. Uzorci sinterovani na 850 C imali su malu veličinu zrna sa homogenom
strukturom, dok je dalje povišenje temperature uticalo na formiranje pseudobrukita sa
većim zrnima štapićastog oblika. Strujno-naponska analiza pokazala je da uzorak
60%α-Fe2O3/40%TiO2 sinterovan na 850 C ima mogućnost za primenu u
fotoelektrohemijskim ćelijama...
Compared to photovoltaic cells, photoelectrochemical cells represent an efficient
way of converting solar into electrical energy, because besides energy, hydrogen is also
available that could be used as a fuel. A photoelectrochemical cell consists of a
semiconductor anode (p- or n-type) that absorbs light, whereby energy conversion takes
place at the boundary of the semiconductor-electrolyte phase.
This doctoral dissertation is divided into three main research directions, related
to the preparation of films in the form of photoactive anodes. The first one describes
preparation of the nanoparticle semiconductor - pseudobrookite, Fe2TiO5, by a solid
state reaction between anatase, TiO2, and hematite, α-Fe2O3. Pseudobrookite formation
was first monitored on tablets to optimize the composition, temperature and time of
sintering. The influence of the sintering temperature (750 –1250C) on the phase
composition, phase transition temperature, morphology and electrical properties of bulk
sinte...red powder mixtures composed of starting anatase and hematite nanopowders was
investigated. Two oxide mixtures were first selected - nanopowders of -Fe2O3
(hematite) and TiO2 (anatase 99.7%) were mixed in the weight ratios 40:60 and 60:40,
respectively which approximately corresponds to the molar ratios of starting hematite
and anatase powders of 1:3 and 1.5:2, with the aim of obtaining pseudobrookite and
analyzing the effect of excess anatase. Samples sintered at 850 °C contained rutile and
pseudobrookite with an orthorhombic structure, which confirmed that iron accelerates
the phase transformation of anatase to rutile, thereby forming a pseudobrookite phase.
Higher sintering temperatures lead to increased sample density, changes in grain size
and decreased electric resistivity.
The second research direction was the preparation of films starting from
prepared oxide mixtures with an organic vehicle (butyl cellulose), solvent (terpinol) and
a small amount of binding lead boron silicone oxide glass frit (ROSiO2B2O3). Pastes
were deposited onto alumina substrate using the screen printing technique and then
sintered 60 minutes at 800 950 C. X-ray diffraction analysis determined formation of
monoclinic pseudobrookite at 800 C and completion of the phase transformation of
anatase into rutile. Further increase in temperature leads to the transition of monoclinic
pseudobrookite into orthorhombic pseudobrookite. Samples sintered at 850 C still had
a small grain size, with a relatively homogenous distribution, while further increase in
temperature lead to the formation of larger rod-shaped grains. Analysis of current
voltage measurements of thick film samples sintered at 850 C showed that the
60%α-Fe2O3/40%TiO2 sample had potential for application as a photoanode for light
driven water splitting...
Факултет:
Универзитет у Београду, Технолошко-металуршки факултетДатум одбране:
20-09-2019Пројекти:
- 0-3D наноструктуре за примену у електроници и обновљивим изворима енергије: синтеза, карактеризација и процесирање (RS-MESTD-Integrated and Interdisciplinary Research (IIR or III)-45007)