ขั้วแอโนดจากไทเทเนียมไดออกไซด์เจือด้วยคอปเปอร์/คอปเปอร์ออกไซด์เพื่อการสลายโมเลกุลน้ำด้วยกระบวนการไฟฟ้าเคมีทางแสง

Main Article Content

Natthapan Sanannam
Akarawin Pimarnthisakorn
Anothai Sukvalakunchai
Pailin Ngaotrakanwiwat

บทคัดย่อ

การผลิตก๊าซไฮโดรเจนด้วยกระบวนการสลายโมเลกุลน้ำด้วยไฟฟ้าเคมีทางแสง (Photoelectrochemical Water Splitting; PEC) เป็นหนึ่งในการผลิตพลังงานทางเลือก ที่ตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม งานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาขั้วแอโนดที่กระตุ้นด้วยแสง (Photoanode) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เจือด้วยทองแดงในปริมาณต่างๆ (Cu/TiO2) ร่วมกับพอลิไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) ลงบนกระจกอินเดียมทินออกไซด์ (ITO Glass) ด้วยเทคนิคการหมุนเหวี่ยง (Spin Coating) สมบัติทางไฟฟ้าเคมีเชิงแสง (Photoelectrochemical Properties) ของฟิล์ม Cu/TiO2 วิเคราะห์ด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic Voltammetry; CV) และลิเนียร์สวิปโวลแทมเมตรี (Linear Sweep Voltammetry; LSV) พร้อมกับการฉายแสงยูวี 15 มิลลิวัตต์/ตารางเซนติเมตร พบว่า การปรับอัตราส่วนของ PVDF บนฟิล์ม 20 wt% ส่งผลให้ฟิล์มมีความเสถียร และมีค่ากระแสขณะฉายแสงสูงสุดภายหลังอัด-คายประจุ 10 รอบ และการเจือทองแดง 0.5–5 mol% ในอนุภาค TiO2 พบว่า อนุภาค Cu/TiO2 จะมีสมบัติทางกายภาพและเคมีแตกต่างกันตามปริมาณทองแดง โดยฟิล์ม 1.5Cu/TiO2 เป็นฟิล์มที่เหมาะสมในการใช้เป็นขั้วแอโนดสำหรับการเกิดปฏิกิริยา Oxygen Evolution Reaction (OER) ซึ่งมีค่ากระแสขณะฉายแสงเท่ากับ 16.2 ไมโครแอมแปร์/ตารางเซนติเมตร ที่ 0.95 โวลต์ vs. Ag/AgCl ซึ่งมีค่าสูงมากกว่าฟิล์ม TiO2 ถึง 0.6 เท่า ยิ่งไปกว่านั้น ค่ากระแสรวมที่เกิดจากการป้อนศักย์ไฟฟ้าพร้อมกับฉายแสง มีค่าสูงถึง 0.23 มิลลิแอมแปร์/ตารางเซนติเมตร

Downloads

Download data is not yet available.

Article Details

บท
บทความวิจัย ด้านวิศวกรรมศาสตร์

References

L. R. Sheppard and R. Wuhrer, “TiO2-based homojunction photo-electrode for solar-driven water splitting,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 16, pp. 9386–9396, 2020.

P. Nikolaidis and A. Poullikkas, “A comparative overview of hydrogen production processes,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 67, pp. 597–611, 2017.

J. Joy, J. Mathew and S. C. George, “Nanomaterials for photoelectrochemical water splitting – review,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, pp. 4804–4817, 2018.

R. Singh and S. Dutta, “A review on H2 production through photocatalytic reactions using TiO2/TiO2-assisted catalysts,” Fuel, vol. 220, pp. 607–620, 2018.

S. Zheng, X.B. Cao, J. Wu, L.W. Zhu, and L. Gu, “Preparation of hierarchical CuO@TiO2 nanowire film and its application in photoelectrochemical water splitting,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 26, no. 8, pp. 2094–2101, 2016.

L. Yao, W. Wang, L. Wang, Y. Liang, J. Fu, and H. Shi, “Chemical bath deposition synthesis of TiO2/Cu2O core/shell nanowire arrays with enhanced photoelectrochemical water splitting for H2 evolution and photostability,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 43, no. 33, pp. 15907–15917, 2018.

Z. Li, J. Liu, D. Wang, Y. Gao, and J. Shen, “Cu2O/Cu/ TiO2 nanotube Ohmic heterojunction arrays with enhanced photocatalytic hydrogen production activity,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 8, pp. 6431–6437, 2012.

Y. Yang, D. Xu, Q. Wu, and P. Diao, “Cu2O/CuO bilayered composite as a high-efficiency photocathode for photoelectrochemical hydrogen evolution reaction,” Scientific Reports, vol. 44, no. 39, pp. 21351–21378, 2019.

J. Li, X. Jin, R. Li, Y. Zhao, X. Wang, X. Liu, and H. Jiao, “Copper oxide nanowires for efficient photoelectrochemical water splitting,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 240, pp. 1–8, 2019.

P. Ngaotrakanwiwat, P. Heawphet, and P. Rangsunvigit, “Enhancement of photoelectrochemical cathodic protection of copper in marine cndition by Cu-doped TiO2,” Catalysts, vol. 10, no. 2, pp. 146, 2020.

J. Inderherbergh, “Polyvinylidene fluoride (PVDF) appearance, general properties and processing,” Ferroelectrics, vol. 115, no. 4, pp. 295–302, 1991.

P. Atkins, J. D. Paula, and J. Keeler, Atkins' Physical Chemistry, 11th ed. Oxford University press, 2018.

J. Wu, C. Li, X. Zhao, Q. Wu, X. Qi, X. Chen, T. Hu, and Y. Cao, “Photocatalytic oxidation of gas-phase Hg0 by CuO/TiO2,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 176, pp. 559–569, 2015.

L. Wang, K. Gupta, J. B.M. Goodall, J. A. Darr, and K. B. Holt, “In situ spectroscopic monitoring of CO2 reduction at copper oxide electrode,” Faraday Discuss, vol. 197, pp. 517–532, 2017.

U. Shaislamov, K. Krishnamoorthy, S. J. Kim, S. Choi, W. Chun, and H.-J. Lee, “Growth of CuO/ZnO nanobranched photoelectrode with enhanced stability for solar hydrogen generation,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 16, no. 10, pp. 10541–10547, 2016.

I. Ganesh, P. P. Kumar, I. Annapoorna, J. M. Sumliner, M. Ramakrishna, N. Y. Hebalkar, G. Padmanabham, and G. Sundararajan, “Preparation and characterization of Cu-doped TiO2 materials for electrochemical, photoelectrochemical, and photocatalytic applications,” Applied Surface Science, vol. 293, pp. 229–247, 2014.

J. M. Kum, S. H. Yoo, G. Ali, and S. O. Cho, “Photocatalytic hydrogen production over CuO and TiO2 nanoparticles mixture,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 31, pp. 13541–13546, 2013.

M. Janczarek and E. Kowalska, “On the origin of enhanced photocatalytic activity of coppermodified titania in the oxidative reaction systems,” Catalysts, vol. 7, no. 11, pp. 317, 2017.

V. Madhavi, P. Kondaiah, M. Ghosh, and G. M. Rao, “Hydrogen plasma-treated 1D/3D TiO2 nanorod array photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting,” Ceramics International, vol. 46, no. 11, pp. 17791–17799, 2020.

T. Sh. Atabaev, D. H. Lee, and N. H. Hong, “Fabrication of TiO2/CuO photoelectrode with enhanced solar water splitting activity,” Functional Materials Letters, vol. 10, no. 6, pp. 1750084, 2017.