การสังเคราะห์และศึกษาลักษณะบ่งชี้ของท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์สำหรับ ผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์: Synthesis and Characterization of TiO2 Nanotubes for Solar-hydrogen Production

Buagun Samran; Saranyoo Chaiwichian

Authors

Buagun Samran Faculty of Science, Nakhon Phanom University
Saranyoo Chaiwichian Faculty of Industry and Technology, Rajamangala University of Technology Isan

Keywords:

การผลิตไฮโดรเจน, การบำบัดทางความร้อน, ท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์, พลังงานทดแทน, Hydrogen production, Annealing, TiO2, nanotubes, Renewable energy

Abstract

ท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO₂ nanotubes) ถูกสังเคราะห์ ศึกษาลักษณะบ่งชี้ และทดสอบประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์ โดยท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีการแอโนไดเซซั่น หลังจากการแอโนไดเซซั่นตัวอย่างถูกบำบัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ (300-800 องศาเซลเซียส) และท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ถูกศึกษาลักษณะทางกายภาพด้วยเครื่องเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ เครื่องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด และเครื่องวิเคราะห์การดูดกลืนแสง ขั้นตอนสุดท้ายตัวอย่างถูกทดสอบประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์ ผลการทดลองพบว่า ท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์มีโครงสร้างเป็นไททาเนียมบริสุทธิ์และมีการเปลี่ยนผลึกจากแบบอสัณฐานเป็นอนาเทสเฟสที่อุณหภูมิ 300-600 องศาเซลเซียส และมีการเปลี่ยนแปลงเฟสจาก อนาเทสเป็นรูไทล์ของตัวอย่างที่ถูกการบำบัดทางความร้อนด้วยอุณหภูมิ 700 และ 800 องศาเซลเซียส สำหรับลักษณะพื้นผิวของท่อ นาโนไททาเนียมไดออกไซด์เริ่มถูกทำลายที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียสขึ้นไป และท่อนาโนไททาเนียมไดออกไซด์พื้นผิวสมบูรณ์ดีสุดคือผ่านการบำบัดด้วยความร้อนอุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส สำหรับประสิทธิภาพการผันพลังงานไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์ คือ 3.90 เปอร์เซ็นต์ และค่าความหนาแน่นกระแสสูงสุด คือ 3.17 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์เพื่อจะให้ได้ประสิทธิสูงสุด และยังเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาพลังงานทดแทนให้ใช้ประโยชน์ได้จริงในอุตสาหกรรมรถยนต์ต่อไป

Titanium dioxide nanotubes (TiO₂ nanotubes) were successfully synthesized, characterized and tested for solar-hydrogen production. Titanium nanotubes were synthesized by anodization method. The samples were annealed between 300-800 ^°C for 2 hours. X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and UV-Vis diffuse reflectance spectra (UV-vis DRS) techniques were used to characterize the TiO₂ nanotubes. Finally, the samples were tested for solar-hydrogen production and their conversion efficiencies were calculated. According to the results, amorphous TiO₂ transformed into the crystalline anatase phase after heat treatment in the temperature range 300-600 ^°C. The transformation from anatase phase to rutile phase was observed for annealing temperatures within 700-800 ^°C. We noticed that for annealing temperatures over 600 ^°C, the surface of the TiO₂ nanotubes appeared to be damaged. Under the given experimental conditions, our optimal results were obtained for the TiO₂ nanotubes annealed at 400 ^°C, with a corresponding maximum photocurrent density of 3.17 mA/cm², and a solar-hydrogen conversion efficiency of 3.90 %. The findings of this paper provide significant guidelines for current and future research in the development of renewable energy. And the results of this work will serve as guidelines for developing alternative energy sources in the automobile industry.

References

Bak, T., Nowotny, J., Rekas, M., & Sorrell, C. C. (2002). Photoelectrochemical hydrogen generation from water using solar energy materials-related aspects. International Journal of Hydrogen Energy, 27(10), 991-1022.

Bin, L., Liduo, W., Bonan, K., Peng, W., & Yong, Q. (2006). Review of recent progress in solid-state dye-sensitized solar cells. Energy Materials and Solar Cells, 90(5), 549-573.

Chang, H., Chen, C. H., Kao, M. J., Chien, S. H., & Chou, C. Y. (2013). Photoelectrode thin film of dye-sensitized solar cell fabricated by anodizing method and spin coating and electrochemical impedance properties of DSSCs. Applied Surface Science, 275(15), 252– 257.

Gratzel, M. (2005). Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells. Inorg. Chem, 44(20), 6841-6851.

Hee, Y. H., Arun, A. P., Dong, Y. K., & Kap, J. K. (2011). Influence of the organic electrolyte and anodization conditions on the preparation of well-aligned TiO2 nanotube arrays in dye-sensitized solar cells. Solar Energy, 85(7), 1551–1559.

Kelly, N. A., & Gibson, T. L. (2006). Design and characterization of a robust photoelectrochemical device to generate hydrogen using solar water splitting. Int. J. of Hydrogen Energy, 31(12), 1658-1673.

Lei, B. X., Luo, Q. P., Sun, Z. F., Kuang, D. B., & Su, C. Y. (2013). Fabrication of partially crystalline TiO2 nanotubes arrays using 1, 2-propanediol electrolytes and application in dye-sensitized solar cells. Advanced Power Technology, 24(1), 175-182.

Li, H., Cao, L., Liu, W., Su, G., & Dong, B. (2012). Synthesis and investigation of TiO2 nanotube arrays prepared by anodization and their photocatalytic activity. Ceramics International, 38(7), 5791–5797.

Lin, J. Y., Chou, Y. T., Shen, J. L., Wu, C. H., & Ko, C. H. (2011). Effects of rapid thermal annealing on the structural properties of TiO2 nanotubes. Applied Surface Science, 258(1), 530– 534.

Liu, R., Hsieh, C. S., Yang, W., Qiang, L., & Wu, J. F. (2011). Applying the statistical experimental method to evaluate the process conditions of TiO2 nanotube arrays by anodization method. Current Applied Physics, 11(6), 1294-1298.

Mohamad, M.M., Yousef, G., & Zohre, G. (2015). Fabrication and characterization of copper doped TiO2 nanotube arrays by in situ electrochemical method as efficient visible-light photocatalyst. Ceramics International, 41, 8735-8741.

Sreekantan, S., Hazan, R., & Lockman, Z. (2009). Photoactivity of anatase-rutile TiO2 nanotubes formed by anodization method. Thin Solid Films, 518(1), 16–21.

Sun, Y., & Yan, K. P. (2014). Effect of anodization voltage on performance of TiO2 nanotube arrays for hydrogen generation in a two-compartment photoelectrochemical cell. International Journal of hydrogen energy, 39(22), 11368-11375.

Sun, Y., Wang, G., & Yan, K. (2011). TiO2 nanotubes for hydrogen generation by photocatalytic water splitting in a two-compartment phoelectrochemical cell. International Journal of hydrogen energy, 36(24), 15502-15508.

Tipparach, U., Samran, B., & Kodtharin, N. (2016). Fabrication and characterization Titania nanotubes by anodization for hydrogen generation. Suranaree J. Sci. Technol, 23(1), 37-43.

Tipparach, U., Wongwanwatthana, P., Sompan, T., Saipin, T., & Krongkitsiri, P. (2008). Preparation and characterization of nano-TiO2 thin films by sol-gel dip-coating method. J. Nat. Sci. Special Issue on Nanotechnology, 7(1), 129-136.

Xao, X., Qian, Z., Chunli, Z., Wei, Y., & Wei, C. (2011). Application of ultrasonic wave to clean the surface of the TiO2 nanotubes prepared by the electrochemical anodization. Applied Surface Science, 257, 8478-8480.

Xue, Y. J., Sun, Y., Wang, G. X., Yan, K. P., & Zhao, J. Y. (2015). Effect of NH4F concentration and controlled-charge consumption on the photocatalytic hydrogen generation if TiO2 nanotube arrays. Electrochimica Acta, 155, 312-320.