تصميم وتقييم التحفيز الضوئي لمركبات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم والذهب البلازمونية لتعزيز إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية

الملخص

تُعدّ المحفزات الضوئية الفعّالة المستخدمة في عملية إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية من أهم التحديات التي تواجه تحويل الطاقة إلى طاقة مستدامة، وتُقدّم هذه الورقة البحثية دراسةً لبنية وتركيب وخصائص التحفيز الضوئي لمركبات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم والذهب (TiO2-Au) ذات خصائص بلازمونية، والتي صُممت بقدرة محسّنة على امتصاص الضوء المرئي وفصل الشحنات، وتم إنتاج جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية باستخدام طريقة سول-جل، كما تمّت معالجتها وظيفيًا باستخدام جزيئات الذهب النانوية عبر طريقة اختزال كيميائي محدودة. تمّ التحقق من الطور البلوري أناتاز لثاني أكسيد التيتانيوم وتوزيع الذهب المتجانس من خلال تحليل شامل للبنية والشكل باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM). تمّ تحديد رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR) للذهب من خلال توصيف بصري باستخدام مطيافية الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية والمرئية ومطيافية التألق الضوئي، والتي أظهرت انزياحًا ملحوظًا نحو الأحمر لحافة الامتصاص وانخفاضًا في إعادة تركيب الإلكترون- الفجوة، وأكد تحليل XPS وجود تفاعل إلكتروني قوي بين الذهب وثاني أكسيد التيتانيوم، مما زاد من انتقال الشحنة عند السطح البيني. وقد أظهرت اختبارات إنتاج الهيدروجين الضوئي زيادة ملحوظة في معدل إنتاج الهيدروجين في وجود الضوء المرئي، مما يؤكد الطبيعة التآزرية للإثارة البلازمونية وتكوين حاجز شوتكي، وتم تحديد تسارع حركة الشحنة وإطالة عمر حاملات الشحنة من خلال معلومات آلية مستندة إلى قياسات الجهد الضوئي الزمني ومعاوقة التحليل الكهروكيميائي. ودُعمت الأدلة التجريبية بمحاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي أظهرت وجود تمركز فعال للشحنة عند السطح البيني بين الذهب وثاني أكسيد التيتانيوم. ويُبشر مركب ثاني أكسيد التيتانيوم-الذهب النانوي المقترح بمستقبل واعد في تطوير محفزات ضوئية عالية الأداء تعمل بالطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين الأخضر.