Sulfur based photocatalyst synthesis for photocatalytic hydrogen production

Abstract

Hidrojen (H2), yüksek enerji yoğunluğuna ve sıfır karbon salınımına sahip yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Fotokatalitik su ayrıştırma, hidrojen üretimi için etkili bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. Kalay disülfür (SnS2), ideal bant aralığı, görünür ışık absorpsiyonu ve katmanlı yapısı sayesinde avantajlı bir fotokatalizördür; bu özellikler yük taşıyıcı dinamiklerini iyileştirir. Bununla birlikte, SnS2 ve diğer sülfür bazlı fotokatalizörler fotokorozyon yaşamaktadır; bu durum uzun vadeli stabilitelerini ve fotokatalitik etkinliklerini önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Bu çalışmanın amacı, SnS2'nin fotokorozyon davranışını anlamak ve farklı parametrelerin SnS2’nin stabilitesi ile H2 oluşumu performansı üzerindeki etkisini incelemektir. İlk olarak, SnS2, tüp fırında SnO2'den termal sülfürizasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Elektronik özelliklerini ve yük transfer dinamiklerini daha ayrıntılı incelemek amacıyla fotoelektrokimyasal (PEC) ölçümler gerçekleştirilmiştir. Mott-Schottky analizi, düz bant potansiyelini belirlemek için uygulanmış ve böylece n-tipi yarı iletken özellikleri doğrulanmıştır. Aydınlatma altında fotokakım tepkisini değerlendirmek amacıyla kronoamperometri uygulanırken, yük transfer direncini incelemek için elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılmıştır. İkinci olarak, SnS2'nin H2 oluşumu testleri, kurban ajan olarak Na2S/ Na2SO3 ve ko-katalizör olarak Pt kullanılarak 445 nm aydınlatma altında gerçekleştirilmiştir. SnS2'nin fotokorozyonu gözlemlenmiştir. Bu deneyler sırasında, SnS2'nin fotokorozyonuna eşlik eden renk değişimi literatürde ilk kez sistematik biçimde raporlanmış; bu optik değişim, fotokorozyonun görsel bir göstergesi ve indikatörü olarak değerlendirilmiştir.SnS2’nin stabilitesini ve verimini artırmak için çeşitli kurban ajanlar (metanol, laktik asit, TEOA) ve ko-katalizörler (Ni, Cu, MoS2 kümeleri) da test edilmiş; ancak en yüksek H2 oluşumu hızı yine de Pt ve Na2SO3/ Na2S karışımı ile sağlanmıştır.SnS2'nin stabilitesi ve fotokatalitik aktivitesi üzerindeki farklı sentez yöntemlerinin etkisini araştırmak amacıyla, hidrotermal ve faceted büyüme yöntemleriyle de sentezlenmiştir. Ayrıca, ağ.%70 SnS2 ve ağ.%30 Co9S8 içeren bir hetero yapı sentezlenmiştir. Bu hetero yapı, kurban ajan olarak TEOA ve fotosensitizör olarak Eosin Y kullanılarak yapılan testlerde geliştirilmiş verimlilik göstererek 3 saat içerisinde 111 μmol hidrojen oluşumu sağlamıştır. Uzun süreli stabilite testleri, hetero yapının verimliliğini ve dayanıklılığını, 24 saat boyunca sürekli hidrojen oluşumu gerçekleştirdiğini doğrulayarak ortaya koymuştur. Hetero-yapı sentezi ile SnS2’nin fotokatalitik H2 üretim verimi artırılmış ve fotokorozyon problemi ortadan kaldırılmıştır.

Hydrogen (H2) is a renewable energy source with high energy density and zero carbon emissions. Photocatalytic water splitting has arisen as an effective technique for H2 generation. Tin disulfide (SnS2) is an advantageous photocatalyst owing to its ideal band gap, visible-light absorption, and layers of structure, which improve charge carrier dynamics. Nonetheless, SnS2 and other sulfur based photocatalysts experience photocorrosion, which considerably restricts their long-term stability and photocatalytic efficiency. Aim of this study is to understand the photocorrosion behavior of SnS2 and examine the influence of different parameters on its stability and H2 evolution performance. Initially, SnS2 was synthesized via the thermal sulfurization method from SnO2 in a tube furnace. To further examine its electronic characteristics and charge transfer dynamics, photoelectrochemical (PEC) measurements were performed. Mott-Schottky analysis was applied to determine its flat band potential, thereby validating its n-type semiconductor characteristics. Chronoamperometry was conducted to evaluate the photocurrent response under illumination, while electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was employed to investigate charge transfer resistance. Secondly, H2 evolution tests of SnS2 were conducted under 445 nm illumination using Na2S/ Na2SO3 as sacrificial agents and Pt as a co-catalyst. Photocorrosion of SnS2 was observed. During these experiments, the color change accompanying the photocorrosion of SnS2 was systematically reported for the first time in the literature; this optical change was evaluated as a visual indicator of the photocorrosion process. To increase the stability and efficiency of SnS2, various sacrificial agents (methanol, lactic acid, TEOA) and co-catalysts (Ni, Cu, Mo cluster) were also tested. However, the highest H2 rate was still achieved with the Pt and Na2SO3 / Na2S mixture. Thirdly, SnS2 was also synthesized via hydrothermal and faceted growth methods to investigate the impact of different synthesizing methods on the stability and photocatalytic efficiency of SnS2 and the powders obtained by other methods exhibited similar photocatalytic behavior to sulfurized SnS2 and evolved H2 only in Na2S/ Na2SO3 solution. Furthermore, a SnS2/ Co9S8 heterojunction comprising 70 wt% SnS2 and 30wt% Co9S8 was synthesized. The heterojunction showed enhanced efficiency when tested with TEOA as a sacrificial agent and Eosin Y as a photosensitizer, achieving a H2 evolution of 111.5 μmol in 3 hours. Long-term stability tests demonstrated the SnS2/ Co9S8 heterojunction's efficiency and durability by confirming that it produced H2 consistently for 24 hours. These results highlight the significance of optimized reaction conditions and heterojunction engineering in attaining enhanced photocatalytic performance while also mitigating the photocorrosion of SnS2.