Synthese und Charakterisierung von co-Katalysator : Photohalbleiter-Kompositen für die photokatalytische Wasserspaltung
Photokatalytische Wasserspaltung mit Halbleitermaterialien hat beträchtliche Beachtung erfahren, besitzt diese Technik doch das Potential nur mit Sonnenlicht und Wasser eine saubere
Quelle für H2 darzustellen. Um eine geeignete solare Energieumwandlung zu entwickeln, müssen stabile Halbleitermaterialien gefunden werden, die effizient unter sichtbarem Licht ( > 400 nm) wirken und geeignete Bandlücken zwischen 1,6 und 3,1 eV aufweisen. Viele
Studien haben gezeigt, dass bereits kleine Mengen an Edelmetallverbindungen, sogenannte
co-Katalysatoren, die Aktivität von Photokatalysatoren erheblich steigern. Diese Arbeit umfasst
die Entwicklung neuer co-Katalysator/Halbleiter-Komposite für die photokatalytische
Wasserspaltung. Dafür wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein Reaktorsystem entwickelt,
welches zur Messung photokatalytischer Aktivitäten unter sichtbarem Licht dient. Es wurde
ein Verfahren etabliert, wobei mittels Reduktion von Silbernitrat als Opferreagenz die
Oxidation von Wasser zu Sauerstoff untersucht werden kann. In mehreren Parameterstudien
wurde ein ideales Messprotokoll entwickelt um partikuläre Proben zuverlässig zu charakterisieren.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese des Halbleiters BiVO4 unter
unterschiedlichen Bedingungen über eine Fällungsroute untersucht. Es wurde ein besonderes
Augenmerk auf die Präkursorenchemie gelegt, weil sich gezeigt hat, dass die Synthese
hoch sensibel auf die Prozesskontrollparameter reagiert. Verschiedene Charakteristika wurden
untersucht, wie zum Beispiel die Morphologie der Kristalle und die Auswirkungen auf
die photokatalytische Aktivität. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese
von co-Katalysatoren. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination vom Halbleiter
BiVO4 mit redoxaktiven co-Katalysatoren zu einer erheblichen Steigerung der photokatalytischen
Aktivität führt. Dabei wurde die Synthese von Kobaltoxid genauer untersucht, weil
sich dieses Material als besonders redoxaktiv erweisen konnte. Die Identifizierung dieser besonders
redoxaktiven Materialien erfolgte über einen im Rahmen dieser Arbeit etablierten
Test (CAN-Test), bei dem CerIV -Ionen als Opferreagenz verwendet wurde. Das Kobaltspinell
Co3O4 zeigte dabei deutlich mehr Aktivität als andere gemessenen Systeme wie IrO2 oder
Mn2O3. Abschließend wurden zwei unterschiedliche Imprägnierungsmethoden untersucht,
durch die das Kobalt effizient auf das BiVO4 aufgebracht werden kann. Wird das Kobalt
als Co3O4 direkt mittels Dispersion auf das Halbleitermaterial aufgebracht, liegt es als fein
dispergierte Nanopartikel vor. Die Aktivität des Komposits in der Sauerstoffentwicklungsreaktion
unter sichtbarem Licht lag 90 % höher als beim puren Halbleiter ohne co-Katalysator.
Diese Imprägnierung wurde verglichen mit der Imprägnierung mit einer Kobaltnitrat-Lösung.
Auch hier wurde die photokatalytische Aktivität verbessert.
In recent years photocatalytic water splitting with semiconductor materials has received
considerable attention, as this technique has the potential to provide a clean source of H2
only with sunlight and water. In order to develop a suitable solar energy conversion, stable
semiconductor materials must be found which act efficiently under visible light irradiation
( > 400 nm) and have suitable band gaps between 1.6 and 3.1 eV. Many studies have
shown that even small amounts of noble metal compounds, so-called co-catalysts, significantly
increase the activity of photocatalysts. This work includes the development of new
co-catalyst / semiconductor composites for photocatalytic water splitting. For this purpose,
a reactor system was developed in the first part of this work, which is used to measure photocatalytic
activities under visible light. A method has been established whereby the oxidation
of water to oxygen can be investigated by reduction of silver nitrate as a sacrificial reagent. In
several parameter studies, an ideal measurement protocol was developed to reliably characterize
particulate samples. In the second part of this work, the synthesis of the semiconductor
BiVO4 was investigated under different conditions by a precipitation route. Special attention
was paid to precursor chemistry because it has been shown that the synthesis is highly sensitive
to the process control parameters. Various characteristics were investigated, such as the
morphology of the crystals and the effects on the photocatalytic activity. The third part of
this thesis deals with the synthesis of co-catalysts. It could be shown that the combination
of the semiconductor BiVO4 with redox-active co-catalysts leads to a significant increase in
photocatalytic activity. The synthesis of cobalt oxide was studied in more detail because this
material could prove to be remarkably redox active. This particularly redox-active material
was identified by a test (CAN test) established in this work, in which cerium(IV) ions were
used as sacrificial reagent. The cobalt spinel Co3O4 showed significantly more activity than
other measured systems such as IrO2 or Mn2O3. Finally, two different impregnation methods
were investigated by which the cobalt can be efficiently applied to BiVO4. If the cobalt is
applied as Co3O4 directly through dispersion on the semiconductor material, it is present as
finely dispersed nanoparticles. The activity of the composite in the oxygen evolution reaction
under visible light was 90% higher than the pure semiconductor without co-catalyst. This
impregnation method was compared with the impregnation with a cobalt nitrate solution.
Again, the photocatalytic activity was improved.
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