Plazmatická depozícia fotoaktívnych tenkých vrstiev a nanoštruktúr kovových oxidov pre solárne štiepenie vody

Bc. Michal KASANICKÝ

Master's thesis

Plasma deposition of photoactive thin films and nanostructures of metal oxides for solar water splitting

Abstract:

Táto diplomová práca sa zaoberá nájdením optimálnych podmienok prípravy tenkých filmov z titanátu železitého Fe2TiO5, označovaného aj ako pseudobrookit, ktoré by bolo možné použiť ako fotoanódu vo fotoelektrochemickom článku na solárne štiepenie vody. Tento materiál bol zvolený preto, že niektoré z jeho vlastností sú vhodnejšie než vlastnosti dvoch často používaných materiálov pri solárnom štiepení vody - oxidu titaničitého TiO2 a oxidu železitého Fe2O3. V porovnaní s TiO2 dokáže Fe2TiO5 absorbovať vlnové dĺžky aj z viditeľnej časti spektra, oproti Fe2O3 je to zas vhodná šírka a poloha zakázaného pásu, ktorá teoreticky umožňuje spontánny priebeh solárneho štiepenia vody. Spomedzi rôznych metód prípravy tenkých filmov bola zvolená metóda rádiofrekvenčného magnetronového naprašovania, ktorá umožňuje prípravu homogénnych tenkých filmov aj na väčšej ploche a preto by sa dala použiť aj v praxi pri produkcii vo väčšom meradle. Hlavná pozornosť bola venovaná štúdiu závislosti fotoaktivity pripravených tenkých filmov od doby ich depozície. Fyzikálne vlastnosti pripravených vzoriek boli charakterizované pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) s energiovo-disperznou röntgenovou spektroskopiou (EDS), röntgenovou difrakciou (XDR) a UV-VIS spektroskopiou. Fotoaktivita vzoriek bola zmeraná pomocou lineárnej voltametrie a chronoampérometrie. Ďalej bol pomocou týchto metód sledovaný vplyv následného žíhania vzoriek v peci pri štyroch rôznych teplotách na morfológiu, štruktúru a fotoaktivitu pripravených tenkých filmov. Najväčšiu fotoaktivitu mala vzorka, ktorej depozícia trvala najkratšie (30 min) a bola žíhaná pri teplote 700 °C. Malá hrúbka vzorky zabránila rekombinácii elektrónov pri ich difúzii na jej povrch. Navyše pri teplote nad 600 °C došlo k uvoľneniu atómov z vodivej vrstvy substrátu, na ktorý bola vzorka nadeponovaná, čo zvýšilo koncentráciu donorových atómov v tenkom filme a spôsobilo to ešte vyššiu fotoaktivitu danej vzorky. Výsledky tejto diplomovej práce preukázali, že Fe2TiO5 môže byť vhodným materiálom pre prípravu fotoanód pri produkcii vodíka z obnoviteľných zdrojov pomocou fotoelektrického štiepenia vody.

Abstract:

This thesis focuses on finding the optimal conditions for preparation of thin films of iron titanate Fe2TiO5, also known as the pseudobrookite, which could be used as a photoanode in the photoelectrochemical (PEC) cell in the process of the solar water splitting. We have chosen this material due to some of its superior properties when compared with other two materials frequently used for the solar water splitting - titanium(IV) oxide TiO2 and iron(III) oxide Fe2O3. In comparison with TiO2, Fe2TiO5 can absorb wavelengths in the visible region of spectrum. When compared with Fe2O3, the possition and the width of its band gap theoretically allow for the solar water splitting to occur spontaneously. The RF magnetron sputtering method was chosen among various thin film preparation methods as it enables preparation of homogeneous thin films on large areas. Therefore, it could also be used for large-scale production. We have mainly focused on the study of a relation between the photoactivity of prepared films and their deposition times. Scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and UV-VIS spectroscopy were used to characterise the prepared samples. Their photoactivity was measured by linear sweep voltammetry and chronoamperometry. By using these methods, the effects of subsequent annealing at three different temperatures in the furnace on the prepared samples´ morphology, structure and photoactivity. The highest photoactivity was observed for the sample whose deposition time was the shortest (30 min) and which was annealed at 700 °C. The small thickness of the sample prevented the electrons from recombination with the holes when diffusing towards the sample´s surface. In addition, at temperatures above 600 °C, the atoms from the FTO conductive layer, on top of which the thin films were deposited, started to release. This resulted in the higher concentration of the donor atoms in the thin film and in the further increase in the photoactivity. The results of this thesis have shown that Fe2TiO5 may be suitable as a material for the preparation of the photoanodes for the process of the hydrogen production via the solar water splitting.

Keywords

plazmatická depozícia, magnetronové naprašovanie, titanát železitý, Fe2TiO5, tenká vrstva, fotoelektrochémia, fotoanóda, solárne štiepenie vody, IPCE, lineárna voltametria, chronoampérometria

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 5. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Štěpán Kment, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Material Chemistry