Electrochemical properties of titania based powders

Abstract

Global warming arising from the greenhouse effect is globally accepted as the main problem which may threaten the life on the earth. Excess emission of carbon dioxide which leads to the more absorption of solar radiation in the atmosphere is the main reason for global warming. Carbon dioxide present in the atmosphere is balanced by natural photosynthesis; however this balance was disturbed by the increasing amount of carbon dioxide emissions after industrial revolution. Intense efforts was made by many scientists to find solutions to decrease the carbon dioxide level in the atmosphere and the pioneering studies were conducted in the early 1970s which founded the basic theory of artificial photosynthesis. The conceptual idea on conducting photosynthesis by technologically feasible processes was accepted by many scientists and the research on artificial photosynthesis accelerated in the last 10 years. The enhancement of the efficieny of artificial photosynthesis, by which alternative fuels such as methane, methanol may be produced, can be realized by doping titanium dioxide which is the most widely used photocatalyst in the literature. The determination of new electrochemical properties obtained by doping titanium dioxide is crucial since the oxidation/reduction reactions are controlled by the electrochemical structure of this material. Bandgap and band position energy levels which are important properties in photocatalysis can be determined and the efficiency of photoreduction under UV or visible light corresponding to these energy levels can be improved. Cyclic voltammetry (CV) can be used to determine the electrochemical properties of titanium dioxide and these properties can be improved by using the information obtained with this method. The effects of rare earth element doping on the electrochemical properties of titanium dioxide were investigated through out this Msc study. It was found that doping of titanium dioxide is significantly increased the electrochemical activity with rare earth elements. The increase in the doping amount of elements showed that articial photosynthesis activity of titanium dioxide may be enhanced by rare earth element doping.

Günümüzde insanlığın varlığını tehdit edebilecek en büyük problemlerden birinin sera gazı efektine bağlı olarak ortaya çıkan küresel ısınma olduğu kabul görmektedir. Bu durumun temel sebebi karbondioksit gazının aşırı salınımı ve sonucunda da güneş ışınlarının atmosferde daha fazla emilmesidir. Karbondioksit gazı hep vardı ve fotosentez tarafından dengeleniyordu ancak sanayi devriminden sonra bu gazın salımı öyle arttı ki biliminsanları bu konuda çözüm üretmek için çalışmaya başladılar ve ilk defa 1970 lerde yapay fotosentez kavramına temel oluşturan yayınlar yapıldı. Fotosentezin canlılara değil de aygıtlara yaptırılması fikri birçok biliminsanı tarafından kabul gördü ve bu çalışmalar özellikle son 10 yılda hız kazandı. Bu noktada, metan, metanol gibi alterneatif yakıtların üretildiği yapay fotosentezdeki aktivitenin artırılması için literatürde en yaygın kullanılan fotokatalizör olan titanyum dioksitin katkılanması ve katkı ile elde edilen yeni elektrokimyasal özelliklerin saptanması büyük bir öneme sahiptir. Bu sayede fotokatilizde büyük öneme sahip olan bant genişliği ve bant pozisyonu enerji seviyeleri net bir şekilde belirlenebilir ve bu enerji seviyelerine denk gelen UV veya görünür ışık altında fotonik indirgenme verimleri iyileştirebilir. Titanyum dioksitin elektrokimyasal özellikleri döngüsel gerilimölçer (cyclic voltammetery – CV) yöntemi ile araştırılabilir ve bu özelliklerin iyileştirilmesine yönelik kullanılabilecek bulgular bu yöntem sayesinde üretilebilir. Bu tez çalışmasında nadir toprak elementi katkısının titanyum dioksitin elektrokimyasal özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Nadir toprak elementi katkısının titanyum dioksitin elektriksel aktifliğini önemli ölçüde artırdığı bulunmuştur. Bu bağlamda titanyum dioksitin yapay fotosentezdeki aktivitesinin nadir toprak elementi katkısı ile artırabileceğini gösterilmiştir.