ENGINEERED 2D CARBON NITRIDE BASED NANOCOMPOSITES FOR SOLAR ENERGY CONVERSION APPLICATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD_Thesis_28-12-2022.pdf Restricted to Repository staff only until 28 December 2023. Download (7MB)

Arabic Abstract

يعد حصاد الطاقة الشمسية مجالًا راسخًا لأبحاث الطاقة الخضراء لتلبية الطلب القادم على الطاقة المستقبلية والاستدامة البيئية ، حيث يتسبب حرق الوقود الأحفوري الحالي في حدوث دمار هائل من صنع الإنسان . الهدف الرئيس من أطروحة الدكتوراه الخاصة بي هو تصنيع مركبات نانوية ثنائية الأبعاد القائمة على نيتريد الكربون والتي يمكن أن تعالج بشكل مباشر تقدم التحديات الرئيسية في تطبيقات تحويل الطاقة الشمسية مثل 1. التحفيز الضوئي والكهروضوئي لتوليد الهيدروجين و الأكسجين وانقسام الماء بشكل عام. 2. التشكيل الضوئي للنفايات البلاستيكية أو المشتقة من الكتلة الحيوية إلى موادعضوية دات قيمة ووقود الهيدرجين الأخضر. 3. الخلايا الضوئية العضوية / خلايا بيروفسكايت الشمسية. تم إجراء التهيئة السطحية والتحقيق المورفولوجي للمحفز الضوئي ثنائي الأبعاد القائم على المركبات النانوية لنيتريد الكربون بمساعدة المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاث الميداني، والتحليل الطيفي للتشتيت الطاقي ، والفحص المجهري الإلكتروني عالي الدقة ، على التوالى. تم إنجاز التوصيف البنيوى بمساعدة تحليل حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية، والتحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي وقياس الطيف الكتلي ، وتحليل رامان. تم فحص الخصائص الضوئية مثل عملية إعادة تركيب الشحنات الإلكترونية / الثقوب الضوئية ، وفجوات النطاق البصري ومواضع الشريط الطاقي بمساعدة التحليل الطيفي المرئي فوق البنفسجي / مطياف الانعكاس المنتشر و التحليل الطيفي للتلألؤ الضوئي عند درجة حرارة الغرفة. تم استخدام التقنيات الكهروكيميائية الضوئية مثل قياس الفولت الخطي، وقياس التيار الزمني، والتحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية لقياس أداء المركبات النانوية ثنائية الأبعاد C3Nx لتطبيقات حصاد الطاقة الشمسية من حيث كثافات التيار الضوئي، والاستقرار وكفاءة عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين. أخيرًا ، لفهم اليات تحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة المستدامة، اقترحنا اليات شاملة لكل تطبيق. تم إجراء الأنشطة البحثية الشاملة على نطاق المختبر، ونجحنا في تطوير المركبات النانوية ثنائية الأبعاد القائمة على نيتريد الكربون C3Nx لتطبيقات حصاد الطاقة الشمسية.

English Abstract

Solar energy harvesting is a well-established field of green energy research to encounter the upcoming demand of future energy and environmental sustainability, as the existing fossil fuels burning cause tremendous anthropogenic devastations. The main objective of my Ph.D dissertation is to engineer the two dimensional (2D) carbon nitride (C3Nx) based nanocomposites, which can directly address the advancement of key challenges in solar energy conversion applications such as (1) Photocatalytic and photoelectrochemical (PEC) hydrogen generation, oxygen evolution and overall water splitting, (2) Photoreforming of plastic- or biomass-derived waste into organic valuables and “green” H2 fuel (3) Organic photovoltaic (OPV) / perovskite solar cells (PSC). The surface functionalization and morphological investigation of the synthesized 2D C3Nx based nanocomposites photocatalyst were carried out with the help of field emission scanning electron microscopy (FESEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), respectively. The structural elucidation were accomplished with the help of X-Ray diffraction analysis (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), mass spectrometry, and Raman analysis. The optical properties such as charge recombination behaviors of the photoinduced electrons/holes, optical band gaps and band positions were investigated with the help of ultraviolet- visible spectroscopy (UV-vis)/diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and room temperature photoluminescence (PL) spectroscopy. The photoelectrochemical techniques such as linear sweep voltammetry (LSV), chronoamperometry (I-t), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to measure the performance of the as synthesized 2D C3Nx based nanocomposites for solar energy harvesting applications in terms of photocurrent densities(mA/cm2), stability and solar to hydrogen (STH) efficiencies. Lastly, to fully understand the solar to sustainable energy technologies, we proposed overall mechanistic insights for each application. The overall research activities were performed at the laboratory scale, and we successfully developed the engineered 2D C3Nx based nanocomposites for solar energy harvesting applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	NISAR, ULLAH
Committee Co-Advisor:	MUHAMMAD NAWAZ, TAHIR
Committee Members:	ABDULAZIZ, A SAADI and ASROF, ALI SHAIKH and ANVER HUSSIEN, ISAB
Depositing User:	MUHAMMAD ASHRAF (g201708950)
Date Deposited:	29 Dec 2022 07:34
Last Modified:	29 Dec 2022 07:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142276