Synthesis, properties and applications of tungsten oxide nanostructures

Abstract

In this study, tungsten oxide nanostructures, which are n-type semicon ductors with a band gap between 2.6-2.8, have been studied extensively. The hydrothermal method was used as the synthesis technique and the phases and morphologies were optimized in a stable and controllable manner. Firstly, sto ichiometric tungsten oxide nanowires with certain ratios were synthesized, and then cobalt doping was made using this synthesis technique. Subsequently, sub-stoichiometric tungsten oxide nanowires, which have oxygen gaps and can show plasmonic properties due to the increased carrier density, were synthe sized, and tungsten oxides with a flower-like hierarchical structure with oxygen gaps were synthesized and grouped according to possible application areas. Accordingly, how oxygen vacancies and hierarchical structures affect pho tocatalysis applications have been examined and it has been seen that ub stoichiometric tungsten oxide works faster until it reaches a certain saturation than stoichiometric tungsten oxide. According to this study, how the system can be manipulated by adding low pH to the system and hydrogen peroxide as an electron acceptor, respectively. It has been observed that it can be done. Hierarchical tunsten oxide has been found to be an ideal catalyst that can work quickly in photocatalysis studies due to its hierarchical structure, which has oxygen vacancies and can absorb light well. Additionally, tungsten oxide attracts attention as a material used in su percapacitor applications. Supercapacitors are long-lasting and fast-reacting electrochemical devices that can provide high power in energy storage and dis charge processes. The use of tungsten oxide in supercapacitor applications can be summarized as follows: when nanoparticles with large surface area are used as electrode material, they increase the interaction with the electrochemical surface and can increase the energy storage capacity. It shows high electro chemical activity as an electrode material. This feature contributes to the high performance of the supercapacitor. Tungsten oxide has a structure suitable for electron and ion conduction. This allows the supercapacitor to have fast charge/discharge capabilities and low internal resistance. Tungsten oxide can show stable performance during electrochemical cycles. This feature ensures the long life of the supercapacitor. In supercapacitor applications, in addition to these features, the electrical conductivity of the material can be increased by increasing the number of electrons carried in the material due to its oxygen gap. Accordingly, we investigated the comparative electrochemical properties and cycling stability of stoichiometric and sub-stoichiometric nanowires. Thanks to its electrochromic properties, the latest application has observed electrochromic changes of oxygen vacancies and cobalt doping

Bu çalışmada n tipi ve 2.6-2.8 arası bant aralığına sahip yarı iletken olan tungsten oksit nanoyapılar geniş kapsamda çalışılmıştır. sentez tekniği olarak hidrotermal yöntem kullanılmış olup fazları ve morfolojileri karalı bir şekilde kontrol edilebilir şekilde optimizeleri yapılmıştır. öncelikle belirli oranlara sahip stokiometrik tungsten oksit nanoçubuklar sentezlenmiştir sonrasında bu sentez tekniğinden yararlanıp kobalt katkılama yapılmıştır. Daha sonrasında oksijen boşluklarına sahip olan ve bu özelliklerinden dolayı plazmonik özellik göstere bilen stokiometri altı tungsten oksit nano çubuklar sentezlenmiş olup yine oksijenboşluklarına sahip çiçek benzeri hiyerarşik yapıya sahip tungsten oksitler sente zlenmiş olup olası uygulama alanlarına göre gruplandırılıştır. Buna göre oksijen boşluklarının ve hiyerarşik yapıların fotokataliz uygula malarını nasıl etkilediği incelenmiş ve görülmüştür ki stokiometri altı tungsten oksitin stokiometrik tungsten oksite göre belirli bir doygunluğa ulaşana kadar daha hızlı çalışmıştır, bu çalışmaya göre sisteme sırasıyla düşük ph, sisteme elek tron alıcısı olarak hidrojen peroksit eklenerek sistemin nasıl manipüle edilebile ceği izlenmiştir. Hiyerarşik yapılı tunsten oksit ise hem oksijen boşluklarına sahip olması hemde ışığı iyi absorbe edebilen hiyerarşik yapıısndan dolayı fo tokataliz çalışmalarında hızlı çalışabilen ideal bir katalizör olduğu görülmüştür. Ayrıca tungsten oksit, süperkapasitör uygulamalarında kullanılan bir malzeme olarak dikkat çeker. Süperkapasitörler, enerji depolama ve deşarj süreçlerinde yüksek güç sağlayabilen, uzun ömürlü ve hızlı tepki veren elektrokimyasal cihazlardır. Tungsten oksitin süperkapasitör uygulamalarındaki kullanımı şu şekillerde özetlenebilir: geniş yüzey alanına sahip nanoparçacıklar elektrot malzemesi olarak kullanıldığında elektrokimyasal yüzey ile etkileşimi artırır ve enerji depolama kapasitesini artırabilir. elektrot malzemesi olarak yüksek elek trokimyasal aktivite gösterir. Bu özellik, süperkapasitörün yüksek performans sergilemesine katkıda bulunur. Tungsten oksit, elektron ve iyon iletimi için uygun bir yapıya sahiptir. Bu, süperkapasitörün hızlı şarj/deşarj yeteneklerine ve düşük iç dirence sahip olmasına olanak tanır. Tungsten oksit, elektrokimyasal döngüler sırasında kararlı bir performans gösterebilir. Bu özellik, süperkapasitörün uzun ömürlü olmasını sağlar. Süperkapasitör uygulamalarında bu özelliklerinin yanı sıra oksijen boşluğuna sahip olması malzemenin içinde taşınan elektron sayısı artarak malzemenin elektrik iletkenliği arttırılabilir. Buna göre stokiometrik ve stokiometri altı nanoçubuklarının karşılaştırmalı olarak elektrokimyasal özellik leri ve döngü tekrarlama konusundaki stabiletelerini araştırdık. Kendi bünyesinde taşıdığı elektrokromik özellikleri sayesinde en son uygulama olarak oksijen boşluklarının ve kobalt katkılamanın elektrokromik olarak değişimleri gözlen miştir.