نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

بررسی مدون پارامترهای روش افشانه پایرولیز برای بدست آوردن لایه‌های نازک پایدار، یکنواخت و متخلخل BiVO4

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه حکیم سبزواری، ایران
2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
چکیده
در این پژوهش، لایه‌های نازک BiVO4 به روش افشانه پایرولیز تهیه شدند. به منظور دستیابی به لایه‌های متخلخل یکنواخت، تکرارپذیر در ابعاد مختلف و با چسبندگی زیاد به زیرلایه (لایه‌های پایدار)، پارامترهای مهم روش افشانه پایرولیز یعنی دمای زیرلایه، فاصله نازل تا زیرلایه، قطر دهانه‌ی نازل و فشار گاز حامل به طور مدون بررسی و بهینه گردیدند. در انتها مشخص شد که با انتخاب این مقادیر به ترتیب برابر oC 200، cm 40، mm 1/0 و atm 5/3 لایه‌هایی بسیار یکنواخت بر روی بسترهای شیشه و اکسید قلع آلاییده شده با ایندیوم بدست می‌آیند. اما این لایه‌ها به راحتی از روی زیرلایه کنده شده و چسبندگی ضعیفی به زیرلایه دارند. به منظور بهبود چسبندگی، رویکرد لایه نشانی پالسی مورد بررسی قرار گرفت و با تنظیم زمان لایه‌نشانی هر پالس، تعداد پالس‌ها و زمان بین هر پالس، لایه‌هایی با چسبندگی مناسب بدست آمدند. نتایج آنالیز میکروسکوپ کانفوکال نشان داد که با انتخاب فاصله کوتاه بین پالس‌ها (30 ثانیه) لایه‌هایی با زبری بالا (nm 25 ± 473) و با انتخاب زمان طولانی بین پالس‌ها (2 دقیقه) لایه‌هایی با زبری کمتر (nm 10 ± 173) قابل دستیابی است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] M. Faraji, M. Yousefi, S. Yousefzadeh, M. Zirak, N. Naseri, T.H. Jeon, W. Choi, A.Z. Moshfegh, Two-dimensional materials in semiconductor photoelectrocatalytic systems for water splitting, Energy & Environmental Science, 12 (2019) 59-95.
[2] Y. Zhang, Y.K. Zhu, Y.H. Peng, X.L. Yang, J. Liu, W. Jiao, J.Q. Yu, Spontaneous polarization enhanced bismuth ferrate photoelectrode: fabrication and boosted photoelectrochemical water splitting property, Frontiers in Energy, 15 (2021) 781-790.
[3] X.J. She, J.J. Wu, H. Xu, J. Zhong, Y. Wang, Y.H. Song, K.Q. Nie, Y. Liu, Y.C. Yang, M.T.F. Rodrigues, R. Vajtai, J. Lou, D.L. Du, H.M. Li, P.M. Ajayan, High Efficiency Photocatalytic Water Splitting Using 2D alpha-Fe2O3/g-C3N4 Z-Scheme Catalysts, Advanced Energy Materials, 7 (2017) 1700025.
[4] Y.H. Chan, Z.P. Chan, S.S.M. Lock, C.L. Yiin, S.Y. Foong, M.K. Wong, M.A. Ishak, V.C. Quek, S. Ge, S.S. Lam, Thermal pyrolysis conversion of methane to hydrogen (H2): A review on process parameters, reaction kinetics and techno-economic analysis, Chinese Chemical Letters, (2023) 109329.
[5] L. Cai, T. He, Y. Xiang, Y. Guan, Study on the reaction pathways of steam methane reforming for H2 production, Energy, 207 (2020) 118296.
[6] Z. Yan, K. Yin, M. Xu, N. Fang, W. Yu, Y. Chu, S. Shu, Photocatalysis for synergistic water remediation and H2 production: A review, Chemical Engineering Journal, 472 (2023) 145066.
[7] S. Tuntithavornwat, C. Saisawang, T. Ratvijitvech, A. Watthanaphanit, M. Hunsom, A.M. Kannan, Recent development of black TiO2 nanoparticles for photocatalytic H2 production: An extensive review, International Journal of Hydrogen Energy, 55 (2024) 1559-1593.
[8] A. Fujishima, K. Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature, 238 (1972) 37-38.
 
[9] M. Zirak, H. Oveisi, J. Lin, Y. Bando, A.A. Alshehri, J. Kim, Y. Ide, M.S.A. Hossain, V. Malgras, Y. Yamauchi, Synthesis of CdS/ZnO hybrid nanoarchitectured films with visible photocatalytic activity, Bulletin of the Chemical Society of Japan, 9 (2018) 1560-1556.
[10] M. Samadi, M. Zirak, A. Naseri, E. Khorashadizade, A.Z. Moshfegh, Recent progress on doped ZnO nanostructures for visible-light photocatalysis, Thin Solid Films, 605 (2016) 2-19.
[11] M. Samadi, N. Sarikhani, M. Zirak, H. Zhang, H.-L. Zhang, A.Z. Moshfegh, Group 6 transition metal dichalcogenide nanomaterials: synthesis, applications and future perspectives, Nanoscale Horizons, 3 (2018) 90-204.
[12] O. Moradlou, Z. Rabiei, A. Banazadeh, J. Warzywoda, M. Zirak, Carbon quantum dots as nano-scaffolds for α-Fe2O3 growth: Preparation of Ti/CQD@α-Fe2O3 photoanode for water splitting under visible light irradiation, Applied Catalysis B: Environmental, 227 (2018) 178-189.
[13] F. Mirjamali, M. Samadi, O. Moradlou, M. Zirak, g-C3N4 quantum dots decorated on urchin-like TiO2 nanostructures for the photoelectrochemical water splitting, Journal of Materials Science, 59 (2024) 4483-4497.
[14] F.F. Abdi, N. Firet, R. van de Krol, Efficient BiVO4 thin film photoanodes modified with Cobalt Phosphate catalyst and W‐doping, ChemCatChem, 5 (2013) 490-496.
[15] F.F. Abdi, R. van de Krol, Nature and light dependence of bulk recombination in Co-Pi-catalyzed BiVO4 photoanodes, The Journal of Physical Chemistry C, 116 (2012) 9398-9404.
[16] J.H. Kim, J.S. Lee, Elaborately modified BiVO4 photoanodes for solar water splitting, Advanced Materials, 31 (2019) 1806938.
[17] M. Nodehi, M. Zirak, O. Reiser, H. Alehdaghi, M. Kazemi, M.-S. Koshki, N. Rabiee, M. Baghayeri, Pushing Back the Detection Limit for Photoelectrochemical Sensing of Bisphenol A by Using a Readily Available and Ultrastable BiVO4/ITO Electrode, ACS Applied Engineering Materials, 2 (2024) 955-964.
[18] M.-S. Koshki, M. Zirak, M. Kazemi, H. Alehdaghi, M. Baghayeri, M. Nodehi, N. Rabiee, Molybdenum-doped BiVO4 thin films: Facile preparation via hot-spin coating method and the relationship between surface statistical parameters and photoelectrochemical activity, Chemosphere, 346 (2024) 140579.
[19] M. Kazemi, M. Zirak, H. Alehdaghi, M. Baghayeri, M. Nodehi, J. Baedi, N. Rabiee, Toward preparation of large scale and uniform mesoporous BiVO4 thin films with enhanced photostability for solar water splitting, Journal of Alloys and Compounds, 969 (2023) 172409.
[20] K.R. Tolod, S. Hernández, N. Russo, Recent advances in the BiVO4 photocatalyst for sun-driven water oxidation: top-performing photoanodes and scale-up challenges,  Catalysts, 7 (2017) 13.
[21] J. Joy, J. Mathew, S.C. George, Nanomaterials for photoelectrochemical water splitting – review, International Journal of Hydrogen Energy, 43 (2018) 4804-4817.
[22] W. Yang, R.R. Prabhakar, J. Tan, S.D. Tilley, J. Moon, Strategies for enhancing the photocurrent, photovoltage, and stability of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting, Chemical Society Reviews, 48 (2019) 4979-5015.
[23] Z. Wang, W. Zhang, Y. Song, N. Liu, L. Chen, N. An, D. Liu, Q. Liu, S. Shen, Y. Kuang, J. Ye, Unraveling the Site-Selective Doping Mechanism in Single-Crystalline BiVO4 Thin Films for Photoelectrochemical Water Splitting, The Journal of Physical Chemistry C, 127 (2023) 5775-5782.
[24] S. Bakhtiarnia, S. Sheibani, A. Nadi, E. Aubry, H. Sun, P. Briois, M.A.P. Yazdi, Preparation of sputter-deposited Cu-doped BiVO4 nanoporous thin films comprised of amorphous/crystalline heterostructure as enhanced visible-light photocatalyst, Applied Surface Science, 608 (2023) 155248.
[25] A. Qayum, M.R. Guo, J. Wei, S. Dong, X.L. Jiao, D.R. Chen, T. Wang, An in situ combustion method for scale-up fabrication of BiVO4 photoanodes with enhanced long-term photostability for unassisted solar water splitting, Journal of Materials Chemistry A, 8 (2020) 10989-10997.
 [26] ابوالفضل رسولی اردلانی، مازیار کاظمی، محمد زیرک، علیرضا مشفق ، ساخت و مشخصه یابی لایه­های نازک متخلخل BiVO4: تاثیر نقص­های ساختاری بر خواص فوتوالکتروشیمیایی، مجله پژوهش فیزیک ایران، دوره: 22، شماره: 2، 1401.