Synthesis, characterization and photocatalytic properties of BiVO4 thin films

Abstract

As the world’s population grows and industries expand, global energy demand continues to rise, making the need for clean, sustainable energy sources more urgent than ever. Hydrogen is considered a promising alternative to fossil fuels due to its high energy density and clean energy conversion (Yao et al., 2019). Among the different hydrogen production methods, photoelectrochemical (PEC) water splitting has emerged as a renewable approach that employs solar energy to produce hydrogen (Chen et al.,2022). Bismuth vanadate (BiVO4) is one of the widely studied materials for PEC applications due to its suitable band gap, chemical stability, and cost-effectiveness (Tayebi and Lee, 2019). However, its efficiency is still limited by poor charge carrier mobility and high recombination rate (Duan et al., 2022). Therefore, improving the intrinsic properties of BiVO4 remains an important research challenge. In this thesis, the effect of key fabrication parameters, including annealing temperature and thickness of the film, on the properties of BiVO4 thin films prepared by spin-coating method were systematically studied. The optimization of annealing temperature and film thickness was found to play a crucial role in improving crystallinity, light absorption, charge carrier mobility, and overall PEC performance. In addition, the effect of intense pulsed ion beam (IPIB) irradiation on BiVO4 photoelectrodes was investigated as a novel research data. The radiation tolerance of BiVO4 under IPIB irradiation was studied for the first time, and changes in film properties was quantitatively evaluated. Furthermore, the effect of IPIB irradiation on the PEC properties of BiVO4 was analyzed. These findings contribute to development of efficient BiVO4 based photoelectrodes for solar driven hydrogen production. Chapter 1 introduces the global need for sustainable hydrogen production and presents PEC water splitting as a promising renewable approach. It also outlines the significance of BiVO4 as a photoanode material, its current limitations, and the motivation for studying its performance using intense pulsed ion beam irradiation. Chapter 2 presents the theoretical background of PEC water splitting and reviews the development of BiVO4 photoanodes for hydrogen production. It also discusses the synthesis methods of BiVO4 thin films, strategies for improving their PEC per 2 formance, and other applications of BiVO4 semiconductor material. Chapter 3 describes the materials preparation, experimental procedures, and equipment used for the synthesis, annealing and characterization of BiVO4 thin films. It outlines the PEC measurement techniques and IPIB irradiation method applied to evaluate the performance of the photoelectrodes. Chapter 4 investigates the influence of annealing temperature and spin-coating speed on the structural, optical and photoelectrochemical behavior of BiVO4 thinfilms. The results highlight those optimized conditions significantly improve crystallinity, light absorption, charge transport and overall PEC performance. Chapter 5 focuses on the effect of IPIB irradiation on BiVO4 thin films and assessing radiation tolerance. It provides detailed analysis on how IPIB irradiation influence morphological, structural, optical and overall PEC properties of BiVO4 thin films. Әлем халқының саны өсіп, өнеркәсіп қарқынды дамып келе жатқандықтан, жаһандық энергияға деген сұраныс артып, таза әрі тұрақты энергия көздеріне деген қажеттілік бұрынғыдан да өзекті болып отыр. Сутегі жоғары энергия тығыздығы және энергияны таза түрлендіру мүмкіндігіне байланысты қазба отындарға перспективалы балама ретінде қарастырылады (Yao et al., 2019). Сутегін өндірудің әртүрлі әдістерінің ішінде фотоэлектрохимиялық (PEC) суды ыдырату күн энергиясын пайдаланып сутегін өндіруге мүмкіндік беретін жаңартылатын әдіс ретінде кеңінен зерттелуде (Chen et al., 2022). Висмут ванадаты (BiVO4) қолайлы тыйым салынған аймақ ені, химиялық тұрақтылығы және экономикалық тиімділігіне байланысты PEC қолданбалары үшін кеңінен зерттелетін материалдардың бірі болып табылады (Tayebi and Lee, 2019). Алайда оның тиімділігі заряд тасымалдаушылардың төмен қозғалғыштығымен және зарядтардың жоғары рекомбинациялану жылдамдығымен шектеледі (Duan et al., 2022). Сондықтан BiVO4-тің ішкі қасиеттерін жақсарту маңызды ғылыми-зерттеу міндеттерінің бірі болып табылады. Бұл диссертацияда айналдыру арқылы қаптау (spin-coating) әдісімен дайындалған BiVO4 жұқа қабықшаларының қасиеттеріне негізгі дайындау параметрлерінің, соның ішінде күйдіру температурасы мен қабықша қалыңдығының әсері жүйелі түрде зерттелді. Күйдіру температурасы мен қабықша қалыңдығын оңтайландыру кристалдылықты, жарықты жұтуды, заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығын және жалпы PEC сипаттамаларын жақсартуда маңызды рөл атқаратыны анықталды. Сонымен қатар, қарқынды импульстік иондық сәулемен (IPIB) сәулелендірудің BiVO4 фотоэлектродтарына әсері жаңа зерттеу бағыты ретінде қарастырылды. IPIB сәулелендіру жағдайындағы BiVO4-тің радиациялық төзімділігі алғаш рет зерттеліп, қабықша қасиеттеріндегі өзгерістер сандық тұрғыдан бағаланды. Бұдан бөлек, IPIB сәулелендірудің BiVO4-тің фотоэлектрохимиялық қасиеттеріне әсері талданды. Алынған нәтижелер күн энергиясы негізінде сутегін өндіруге арналған тиімді BiVO4 негізіндегі фотоэлектродтарды дамытуға деген үлесі зерттелді.