The Development of Semiconductor Electrodes for Hydrogen Gas Production and Removal of Bacteria Pollutants under Visible Light Irradiation
โดย วรรณศิริ ศรีวฤทธิ์
ปี 2559
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ได้พัฒนาขั้วไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกน้ำพร้อมทั้งกำจัดเชื้อแบคทีเรีย(เชื้ออีโคไล)ภายใต้การเร่งด้วยแสงในช่วงที่ตามองเห็นในเวลาเดียวกัน โดยใช้เทคนิคโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกที่ให้ทั้งศักย์ไฟฟ้าและพลังงานแสงในการกระตุ้นการทำงานของขั้วไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำ วัตถุประสงค์ของการพัฒนาคือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งผ่านอิเล็กตรอนและคุณสมบัติการตอบสนองต่อแสงในช่วงที่ตามองเห็น ขั้วไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำ FTO/CuO/TiO[subscript 2] เตรียมด้วยวิธี layer by layer บนวัสดุรองรับกระจกนำไฟฟ้าฟลูออรีนโดปทินออกไซด์ (FTO) โดยตรึงสารกึ่งตัวนำ Cu[subscript2]O เป็นชั้นแรก บนกระจกนำไฟฟ้าด้วยเทคนิคทางเคมีไฟฟ้า และนำไปเผาที่อุณหภูมิต่างๆ ตั้งแต่ 300 ถึง 600 เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างผลึกจาก Cu[subscript2]O ให้กลายเป็น CuO จากนั้นตรึงสารกึ่งตัวนำ TiO[subscript2] เป็นชั้นที่สอง ลงบนขั้วไฟฟ้า FTO/CuO ด้วยเทคนิค RF magnetron sputtering นำขั้วไฟฟ้า FTO/CuO/TiO[subscript2] ที่เตรียมได้ไปศึกษาโครงสร้างผลึกโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffractometry; XRD) ศึกษาสัณฐานวิทยาและความขรุขระของขั้วไฟฟ้าด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope; SEM) และกล้องจุลทรรศน์แบบแรงอะตอม (Atomic force microscope; AFM) ยืนยันองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) ศึกษาการตอบสนองต่อแสงด้วยเทคนิคยูวีวิสิเบิลสเปกโทรสโกปี (UV-vis spectroscopy) ศึกษาความต้านทานการส่งผ่านประจุไฟฟ้า และค่ากระแสที่ได้จากกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกน้ำโดยใช้เทคนิค อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีเชิงเคมีไฟฟ้า (Electrochemical impedance spectroscopy; EIS) และเทคนิค แอมเพอโรเมทรีตามลำดับ ขั้วไฟฟ้าแคโทด FTO/CuO/TiO[subscript2] ถูกใช้ร่วมกับขั้วไฟฟ้าแอโนFTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] เพื่อศึกษาประสิทธิภาพการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกน้ำและกำจัดเชื้ออีโคไล ภายใต้สภาวะการเร่งด้วยศักย์ไฟฟ้าผ่านเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ และแสงในช่วงที่ตามองเห็น จากการศึกษาโครงสร้างผลึกและสัณฐานวิทยาพบว่า อุณหภูมิ 550 สามารถเปลี่ยนผลึกของ Cu[subscript2]O เป็น CuO ได้อย่างสมบูรณ์ และให้ค่ากระแสไฟฟ้าจากกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนสูงสุด แต่เราไม่สามารถตรวจพบโครงสร้างผลึกของ TiO[subscript2] บน ขั้วไฟฟ้าFTO/CuO/TiO [subscript2] เนื่องจาก TiO[subscript2] เป็นอสัณฐาน หรือ มีลักษณะบางมากที่ผิวขั้วไฟฟ้า อย่างไรก็ตามสามารถยืนยันการมีอยู่ของ TiO[subscript2] ที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้า FTO/CuO/TiO[subscript2] ด้วยผลของ XPS จากผลของ SEM และ AFM แสดงให้เห็นว่า TiO[subscript2] ที่อยู่ที่ชั้นนอกของ FTO/CuO/TiO [subscript2] มีลักษณะเป็นฟิล์มบางและมีความขรุขระสูง เมื่อนำขั้วไฟฟ้าแคโทดFTO/CuO/TiO[subscript2] ทำงานร่วมกับขั้วไฟฟ้าแอโนด FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] ส่งผลให้แสดงประสิทธิภาพสูงในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้ถึง 38ไมโครลิตรต่อนาทีและกำจัดเชื้ออีโคไลที่ความเข้มข้น 9.0 × 10[superscript8] CFU/mL ได้ถึง 100% ภายใน 22 นาที ภายใต้การให้ศักย์ไฟฟ้าผ่านเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์และแสงในช่วงที่ตามองเห็น
จากผลการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าขั้วไฟฟ้า FTO/CuO/TiO[subscript2] ที่พัฒนาขึ้นมีประสิทธิภาพสูงในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกน้ำด้วยเทคนิคโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก ด้วยสารกึ่งตัวนำ CuO ที่อยู่ชั้นใน มีแถบพลังงานที่แคบ สามารถผลิตอิเล็กตรอนภายใต้สภาวะเร่งด้วยแสงในช่วงที่ตามองเห็น และสารกึ่งตัวนำ TiO[subscript2] ที่อยู่ชั้นนอกทำหน้าที่ช่วยเร่งการส่งผ่านอิเล็กตรอนจาก CuO เพื่อไปรีดิวซ์น้ำที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้า นอกจากนี้ TiO[subscript] ที่อยู่ชั้นนอกยังช่วยเพิ่มความขรุขระของผิวหน้าขั้วไฟฟ้าซึ่งเป็นการเพิ่มการเกาะติดของน้ำที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้า ที่สำคัญขั้วไฟฟ้าแคโทด FTO/CuO/TiO[subscript2] ที่พัฒนาขึ้นยังช่วยเหนี่ยวนำการส่งผ่านอิเล็กตรอนจากขั้วไฟฟ้าแอโนด FTO/WO[subscript3]/BiVO [subscript4] เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกซิเดชันของเชื้ออีโคไลที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้าด้วย การทำงานร่วมกันของขั้วไฟฟ้าแคโทด FTO/CuO/TiO[subscript2] กับขั้วไฟฟ้าแอโนด FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] แสดงประสิทธิภาพสูงในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและกำจัดเชื้ออีโคไลเหมาะกับการประยุกต์ใช้ในงานด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมต่อไป
In this research, semiconductor electrodes were developed for simultaneous hydrogen production from water splitting and removal bacteria (E. coli) under visible light. The photoelectrocatalytic technique which applies both potential and light irradiation was introduced to initiate the semiconductor electrode. The objective of this development was to enhance the electron transfer rate and visible light absorption of the electrode. The FTO/CuO/TiO[subscript2] photocathode was fabricated using CuO and TiO [subscript2] deposited by using the layer by layer method on fluorine doped tin oxide conductive glass substrate (FTO).
Cu [subscript]O was deposited at the first layer by electrodeposition technique and annealing at various temperatures from 300 ºC to 600 ºC to change the crystal structure of Cu [subscript2]O to CuO. TiO [subscript2] was immobilized at the second layer on the FTO/CuO electrode by using the radio frequency (RF) magnetron sputtering technique. The X-ray diffractometric (XRD) technique was used to study the crystalline structure of the fabricated FTO/CuO/ TiO [subscript2] electrode. A scanning electron microscope (SEM) and an atomic force microscope (AFM) were used to study the morphology and roughness of the electrode surface. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to confirm the chemical composition at the surface electrode. UV-vis spectroscopy was used to study the light absorption properties. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and amperometry techniques were introduced to study the charge transfer resistance and photocurrent of hydrogen production from water splitting, respectively. The FTO/CuO/TiO [subscript2] photocathode and FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] photoanode were incorporated for more hydrogen production and Escherichia coli removal (E. coli removal) under applying the electric potential from solar cells and the visible light. The XRD and SEM results showed that the crystal structure and morphology of Cu[subscript2]O were completely changed to those of CuO at a temperature of 550, and the H[subscript2] production produced the highest photocurrent. The crystalline structure of TiO[subscript2] on FTO/CuO/TiO[subscript2] electrode was not detected due to the fact that TiO[subscript2] act was amorphous or a very small amount on the electrode surface. However, as per the XPS result, the existence of TiO[subscript2] composited at the surface of the FTO/CuO/TiO[subscript] electrode could be confirmed. The SEM and AFM results revealed the thin film and high roughness of TiO[subscript2] layer at the outer side of the FTO/CuO/TiO[subscript2] electrode. The FTO/CuO/TiO[subscript2] photocathode showed high efficiency for H[subscript2] production of 38 L/min and was able to remove E. coli 100% out of 9.0 × 10[superscript8] CFU/mL concentration within 22 mins when incorporated with FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] as anode electrode and introduced to solar cells as the potential unit.
The findings showed that the developed FTO/CuO/TiO[subscript2] electrode had high efficiency for hydrogen production from water splitting by using the photoelectrocatalytic technique. The CuO with narrow band gap energy at the inner side could improve the electron generation under visible light irradiation. TiO[subscript2] with the suitable energy level helped with the electron transfer from CuO in order to reduce the water at the electrode surface. TiO[subscript2] at the outer side could improve the surface roughness which enhanced the water adsorption at the electrode surface. The developed photocathode FTO/CuO/TiO2 could induce the electron transfer from FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] photoanode, which contributed to the enhancement of the E. coli oxidation at the anode electrode surface. The cooperation of FTO/CuO/TiO[subscript2] cathode electrode and FTO/WO[subscript3]/BiVO[subscript4] anode electrode revealed high efficiency for simultaneous H2 production and E. coli removal, which is appropriate for further energy and environmental applications.