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Model Systems for Understanding Charge Transfer at Semiconductor/Catalyst Interfaces = = Modellsysteme zum Verstandnis des Ladungstransfers an Halbleiter-Katalysator-Grenzflachen.

Record Type:	Electronic resources : Monograph/item
Title/Author:	Model Systems for Understanding Charge Transfer at Semiconductor/Catalyst Interfaces =/
Reminder of title:	Modellsysteme zum Verstandnis des Ladungstransfers an Halbleiter-Katalysator-Grenzflachen.
Author:	Irani, Rowshanak.
Published:	Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, : 2020,
Description:	163 p.
Notes:	Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 83-02, Section: B.
Contained By:	Dissertations Abstracts International83-02B.
Subject:	Spectrum analysis. -
Online resource:	http://pqdd.sinica.edu.tw/twdaoapp/servlet/advanced?query=28642292
ISBN:	9798522952419

Model Systems for Understanding Charge Transfer at Semiconductor/Catalyst Interfaces = = Modellsysteme zum Verstandnis des Ladungstransfers an Halbleiter-Katalysator-Grenzflachen.
Irani, Rowshanak.

Model Systems for Understanding Charge Transfer at Semiconductor/Catalyst Interfaces =Modellsysteme zum Verstandnis des Ladungstransfers an Halbleiter-Katalysator-Grenzflachen. - Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, 2020 - 163 p.

Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 83-02, Section: B.

Thesis (Ph.D.)--Technische Universitaet Berlin (Germany), 2020.

This item must not be sold to any third party vendors.

The International Energy Agency (IEA) estimated the world energy use to be about 18 TW per year. Currently, this amount of energy is mostly provided by combusting fossil fuels. However, the world's reserve of fossil fuels is finite, and the combustion of fossil fuels releases pollution and greenhouse gasses causing severe environmental problems. One of the most significant environmental side effects of burning fossil fuels is global warming. To avoid these detrimental effects, the use of sustainable energies is imperative. Among the different sustainable energy sources, the sun is by far the one with the largest potential. However, due to diurnal, regional, and seasonal variations of sunlight, the energy needs to be stored and utilized efficiently. Direct photoelectrochemical (PEC) water splitting is an elegant way to store sunlight by means of chemical bonds. In the process, water is reduced and oxidized to hydrogen and oxygen, respectively. The oxidation of water is generally the limiting factor in a PEC cell and is, therefore, the main focus of this dissertation. We combine an n-type semiconductor with a co-catalyst: the semiconductor is the light absorber and provides the photovoltage, while the co-catalyst aids the oxidation reaction. We investigate the energetics at the semiconductor/co-catalyst interface, which are crucial for the charge transfer processes. In order to study the energetics, we tune the valence band position of the semiconductor and the co-catalyst and investigate the charge transfer processes in a combined semiconductor/co-catalyst system.In the first part, we investigated the role of an atomic layer deposited (ALD) MnOx co-catalyst and its thickness on the photoelectrochemical performance of BiVO4 photoanodes. The modified MnOx/BiVO4 sample with a thickness of ~4 nm shows the highest photocurrent. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies reveal that addition of MnOx results in a modification of the surface band bending of BiVO4, therefore, reducing surface recombination. At the same time, increasing the thickness of MnOx beyond the optimal 4 nm introduces shunting pathways, as shown by energy dispersive x-ray scanning transmission electron microscopy (EDX-STEM) and redox electrochemistry. This cancels out the band bending effect, which explains the observed photocurrent trend.In the second part, we attempted to shift the valence band position of the BiVO4 by the incorporation of nitrogen. Two different approaches were investigated: modiﬁcation of the precursors for the spray pyrolysis recipe and post-deposition nitrogen ion implantation. The incorporation was successful, but nitrogen was present in the molecular form (i.e., N2). Density functional theory (DFT) calculations conﬁrm the thermodynamic stability of the incorporation and suggest that N2 coordinates to two vanadium atoms in a bridging conﬁguration. This forms an additional intra-band state under the conduction band minimum, which results in a shift in bandgap but unfortunately without any improvement in the photoelectrochemical performance.Since the substitution process of oxygen atoms by nitrogen atoms is not thermodynamically favorable for BiVO4 (vide supra), an alternative (oxy)nitride material system with adjustable band position was desired. Thus, we shifted our focus for the photoanode material to the Ta-O-N system with tunable valence band positions.

ISBN: 9798522952419Subjects--Topical Terms:

520440
Spectrum analysis.

Model Systems for Understanding Charge Transfer at Semiconductor/Catalyst Interfaces = = Modellsysteme zum Verstandnis des Ladungstransfers an Halbleiter-Katalysator-Grenzflachen.
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500 $a Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 83-02, Section: B.
500 $a Advisor: Van de Krol, Roel ;Tilley, David.
502 $a Thesis (Ph.D.)--Technische Universitaet Berlin (Germany), 2020.
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520 $a The International Energy Agency (IEA) estimated the world energy use to be about 18 TW per year. Currently, this amount of energy is mostly provided by combusting fossil fuels. However, the world's reserve of fossil fuels is finite, and the combustion of fossil fuels releases pollution and greenhouse gasses causing severe environmental problems. One of the most significant environmental side effects of burning fossil fuels is global warming. To avoid these detrimental effects, the use of sustainable energies is imperative. Among the different sustainable energy sources, the sun is by far the one with the largest potential. However, due to diurnal, regional, and seasonal variations of sunlight, the energy needs to be stored and utilized efficiently. Direct photoelectrochemical (PEC) water splitting is an elegant way to store sunlight by means of chemical bonds. In the process, water is reduced and oxidized to hydrogen and oxygen, respectively. The oxidation of water is generally the limiting factor in a PEC cell and is, therefore, the main focus of this dissertation. We combine an n-type semiconductor with a co-catalyst: the semiconductor is the light absorber and provides the photovoltage, while the co-catalyst aids the oxidation reaction. We investigate the energetics at the semiconductor/co-catalyst interface, which are crucial for the charge transfer processes. In order to study the energetics, we tune the valence band position of the semiconductor and the co-catalyst and investigate the charge transfer processes in a combined semiconductor/co-catalyst system.In the first part, we investigated the role of an atomic layer deposited (ALD) MnOx co-catalyst and its thickness on the photoelectrochemical performance of BiVO4 photoanodes. The modified MnOx/BiVO4 sample with a thickness of ~4 nm shows the highest photocurrent. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies reveal that addition of MnOx results in a modification of the surface band bending of BiVO4, therefore, reducing surface recombination. At the same time, increasing the thickness of MnOx beyond the optimal 4 nm introduces shunting pathways, as shown by energy dispersive x-ray scanning transmission electron microscopy (EDX-STEM) and redox electrochemistry. This cancels out the band bending effect, which explains the observed photocurrent trend.In the second part, we attempted to shift the valence band position of the BiVO4 by the incorporation of nitrogen. Two different approaches were investigated: modiﬁcation of the precursors for the spray pyrolysis recipe and post-deposition nitrogen ion implantation. The incorporation was successful, but nitrogen was present in the molecular form (i.e., N2). Density functional theory (DFT) calculations conﬁrm the thermodynamic stability of the incorporation and suggest that N2 coordinates to two vanadium atoms in a bridging conﬁguration. This forms an additional intra-band state under the conduction band minimum, which results in a shift in bandgap but unfortunately without any improvement in the photoelectrochemical performance.Since the substitution process of oxygen atoms by nitrogen atoms is not thermodynamically favorable for BiVO4 (vide supra), an alternative (oxy)nitride material system with adjustable band position was desired. Thus, we shifted our focus for the photoanode material to the Ta-O-N system with tunable valence band positions.
520 $a Die Internationale Energieagentur (IEA) schatzt den weltweiten Energieverbrauch auf etwa 18 TW pro Jahr.1 Derzeit wird diese Energie hauptsachlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe bereitgestellt. Die weltweiten Vorrate an fossilen Brennstoffen sind jedoch begrenzt und bei deren Verbrennung werden Schadstoffe sowie Treibhausgase freigesetzt, die schwerwiegende Umweltprobleme verursachen. Eine der wichtigsten okologischen Nebenwirkungen ist dabei die globale Erwarmung. Um diese negativen Auswirkungen zu vermeiden, ist der Einsatz nachhaltiger Energien unerlasslich. Unter den verschiedenen verfugbaren Energiequellen besitzt Sonnenlicht dafur das bei weitem groste Potenzial. Aufgrund der taglichen, regionalen und saisonalen Schwankungen der Sonneneinstrahlung muss die gewonnene Energie jedoch gespeichert und effizient genutzt werden. Die direkte photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung ist eine vielversprechende Moglichkeit, die Energie des Sonnenlichts effizient in chemische Energie zu konvertieren. Dabei wird Wasser zu Wasserstoff reduziert und zu Sauerstoff oxidiert. Die Oxidation von Wasser bildet in diesem Prozess prinzipiell den kinetisch limitierenden Faktor und ist Schwerpunkt dieser Arbeit. Es wurden n-Halbleiter, welche uber Lichtabsorption die benotigte Photospannung aufbauen konnen, mit Co-Katalysatoren fur die Oxidationsreaktion kombiniert. Die Energetik an der Halbleiter-Katalysator-Grenzschicht wurde untersucht, welche auf die Effizienz der Ladungstransferprozesse entscheidenden Einfluss nimmt. Die Valenzbandpositionen des Halbleiters und des Co-Katalysators wurden variiert und mit den Prozessen beim Ladungstransfer in einem kombinierten Halbleiter/Co-Katalysatorsystem korreliert.Im ersten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der Dicke von MnOx Dunnschichten als Co- Katalysator auf die photoelektrochemische Leistung von BiVO4 Photoanoden untersucht. Dabei zeigte die MnOx/BiVO4-Probe mit einer ca. 4 nm dicken MnOx Schicht den hochsten Photostrom. Rontgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) Studien belegen, dass die Beschichtung mit MnOx zu einer Verbiegung des Leitungs- und Valenzbandes an der Oberflache vom BiVO4 fuhrt und somit die Oberflachenrekombination reduziert. Grosere Schichtdicken an MnOx, die uber die optimalen 4 nm hinausgehen fuhren dagegen zur Ausbildung von Kurzschlussen mit dem Ruckkontakt, wie die energie-dispersive Rontgen-Scanning-Transmissions- Elektronenmikroskopie (EDX-STEM) und elektrochemische Untersuchungen zeigen. Dadurch wird der positive Effekt der Bandverbiegung aufgehoben, was den beobachteten Trent des Photostroms mit einer wachsender MnOx Schichtdicke erklart.Im zweiten Teil der Arbeit wurde versucht, die Valenzbandposition des BiVO4 durch Dotierung mit Stickstoff zu verschieben. Zwei verschiedene Ansatze wurden dazu untersucht: Anpassung der Spruhpyrolyse-Rezeptur hinsichtlich einer Stickstoffquelle und die Stickstoffionenimplantation nach der BiVO4 Deposition. In beiden Fallen konnte die Einlagerung von Stickstoff zwar nachgewiesen werden, jedoch lag dieser lediglich in molekularer Form (d.h. N2) im Material vor. Berechnungen mittels der Dichte-Funktional-Theorie bestatigen die thermodynamische Stabilitat von N2 im BiVO4, wobei N2 wahrscheinlich als Brucke zwischen zwei Vanadiumatomen koordiniert vorliegt. Diese Struktur bildet einen Zwischenband-Zustand unter dem Leitungsbandminimum des BiVO4 aus, was lediglich zu einer scheinbaren Verschiebung der Bandlucke jedoch nicht zu einer Verbesserung der photoelektrochemischen Aktivitat fuhrt.Da der Substitutionsprozess von Sauerstoffatomen durch Stickstoffatome fur BiVO4 offenbar nicht thermodynamisch begunstig ist, wurde ein (Oxy)nitrit-Materialsystem mit einstellbarer Bandposition als alternativer Absorber anvisiert. Der Fokus wurde auf das Ta-O-N-System als Photoanodenmaterial mit abstimmbaren Valenzbandpositionen verlagert. Die Integration von Stickstoff in Ta2O5 fuhrte erfolgreich zu einer Reduzierung der Bandlucke, was sich aus der Verschiebung des Valenzbandes von 3,8 eV unterhalb des Fermi-Levels fur Ta2O5 auf 2,3 eV fur TaON und 2,1 eV fur Ta3N5 ergibt.
590 $a School code: 1119.
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