Engineering Carbon Nitride-Based Heterostructure for Photo/-Electrochemical Water Splitting. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MOHAMMED TAJUDEEN_ABDULLAHI-PhD Dissertation-201704950-2025.pdf Restricted to Repository staff only until 18 June 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

وهياكله غير المتجانسة باستخدام بروتوكوالت كيمياء رطبة تهدف إلى تعديل فجوة الطاقة (₄N₃C-g (تم تصنيع نيتريد الكربون الغرافيتي مبدئًيا من خالل معالجة حرارية-هيدروثرمية للميالمين وكلوريد السيانوريك في ₄N₃C-g وتحسين نقل الشحنات عبر الواجهة .تم تحضير األسيتونتريل عند درجات حرارة تتراوح بين 160–200 درجة مئوية، مما أسفر عن إطار بوليمري شبه متبلور .إلنشاء الهيكل غير تم استخدام تخليق في الطور السائل في كحول البنزيل لتسهيل التشتت المنتظم لجسيمات النحاس الدقيقة وتعزيز ،O₂Cu المتجانس مع .الترابط عند الواجهة لزيادة محتوى النيتروجين، تم الحصول على مادة "ميليم "عبر البلمرة بالتكثيف الحراري، وتم بعد ذلك تصنيع مركبات ميليم-هيدرازين بواسطة معالجة حرارية-هيدروثرمية في هيدرات الهيدرازين عند 140 درجة مئوية لمدة 24 ساعة .أسفر التكثيف الحراري النهائي عن بطريقة مماثلة في كحول البنزيل لضمان O₂Cu مع ₅N₃C الغني بالنيتروجين .تم إجراء تركيب الهيكل غير المتجانس لـ ₅N₃C إنتاج .التوافق السطحي واالندماج اإللكتروني األمثل باستخدام O₂Cu وهياكلها غير المتجانسة المعتمدة على ₅N₃Cو ₄N₃C-g لكل من (PEC (تقّيم هذه الدراسة الخصائص الكهروضوئية ومطيافية االنعكاس ،(MS (وتحليل موت–شوتسكي ،(EIS (ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية ،(LSV (تقنيات مثل الفولتميتر الخطي النقي كثافة تيار ضوئي ₅N₃C تحت إضاءة بقدرة 100 ملي واط/سم ،² أظهر .(Vis-UV DRS (المنتشر في المجال المرئي-فوق البنفسجي مما يؤكد التأثير اإليجابي لزيادة محتوى النيتروجين على حصاد ₄،N₃C-g قدرها –0.15 ملي أمبير/سم،² مقارنة بـ 0.03 ملي أمبير/سم² لـ كثافة تيار ₄N₃C-g/O₂Cu إلى تحسين األداء الكهروضوئي، حيث حقق O₂Cu الطاقة الشمسية .أدى تكوين التوصيل غير المتجانس مع للشحنات وتقليالً إلى أعلى قيمة بلغت –0.20 ملي أمبير/سم ،² مما يعكس ₅N₃C/O₂Cu قدرها 0.15 ملي أمبير/سم ،² بينما وصل فصالً فائقاً .في إعادة االتحاد ₅N₃C أن EIS في الظروف المظلمة، أظهرت جميع المواد تيارات مهملة، مما يدل على نشاط كهروضوئي يعتمد على الضوء .كشف تحليل مما يدل على ،O₂Cu والتي انخفضت بشكل ملحوظ عند إنشاء الهيكل غير المتجانس مع ،(ct_R (النقي يمتلك مقاومة عالية لنقل الشحنة مع جهد حزمة مستوية ₅،N₃C لـ n تحسن في حركة الشحنات عند الواجهة .أكدت منحنيات موت–شوتسكي السلوك شبه الموصل من النوع مما يشير إلى قوة دافعة محدودة ولكن كافية لتفاعل تطور الهيدروجين ،(RHE فولت مقابل+0.20  ≈) AgCl/Ag يبلغ –0.40 فولت مقابل (HER). xx ₄N₃C-g قليالً من يمتلك فجوة طاقة بصرية تبلغ حوالي 2.15 إلكترون فولت، وهي أعلى ₅N₃C أن Vis-UV DRS أظهرت مطيافية هو المادة األكثر ₅N₃C/O₂Cu مما يتيح امتصا ًصا أكثر كفاءة للضوء المرئي .تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أن ،(إلكترون فولت1.97 ~) .حيث يقدم تحسيًنا في امتصاص الضوء، وتحسًنا في نقل الشحنة، وزيادة في االستجابة الكهروضوئية ،PEC وعدًا في هذه الدراسة لتطبيقات وتبرز هذه النتائج الدور الحاسم لهندسة الوصالت غير المتجانسة في تطوير المحفزات الضوئية المعتمدة على نيتريد الكربون النقسام الماء .بالطاقة الشمسية ومعالجة الملوثات البيئية

English Abstract

Graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) and its advanced heterostructures were synthesized using a wet-chemistry protocol aimed at engineering the bandgap and optimizing interfacial charge transfer. g-C₃N₄ was first prepared by solvothermal treatment of melamine and cyanuric chloride in acetonitrile at 160-200 ºC temperature, yielding a moderately crystalline framework. For Cu2O/g-C₃N₄ heterostructuring, a solution phase synthesis was developed in benzyl alcohol, facilitating uniform nanoparticle dispersion and enhanced electronic coupling between carbon nitride and Cu2O. To enrich the nitrogen content, melem was synthesized through thermal polycondensation, and melem-hydrazine complexes were synthesized using solvothermal condensation in hydrazine hydrate at 140 °C for 24 h, followed by thermal polycondensation to yield C₃N₅. The heterostructuring between C3N5 and Cu₂O was similarly optimized in benzyl alcohol to ensure surface compatibility. This study also investigated the photoelectrochemical (PEC) properties of graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), nitrogen-rich carbon nitride (C₃N₅), and their heterostructure with Cu₂O using linear sweep voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), Mott-Schottky (MS) analysis, and diffuse reflectance UV-Visible spectroscopy (DRS UV-Vis). Under 100 mW/cm² illumination, C₃N₅ exhibited a photocurrent density of -0.15 μA/cm², while g-C₃N₄ shows a lower response of 0.03 μA/cm², indicating that increased nitrogen content enhanced solar energy conversion. Incorporating Cu₂O significantly improved photocatalytic activity, with Cu₂O/g-C₃N₄ reaching 0.15 mA/cm² and Cu₂O/C₃N₅ achieving the highest photocurrent of -0.20 mA/cm², confirming enhanced charge separation and reduced recombination. In the dark, all materials exhibited negligible current, emphasizing their light-dependent photoelectrochemical behavior. EIS measurements revealed that pristine C₃N₅ has a high charge transfer resistance (Rct), which decreases substantially in C₃N₅ heterostructured with Cu₂O nanoparticles, improving charge separation and electron mobility to the surface. Mott-Schottky analysis confirmed that C₃N₅ is an n-type semiconductor with a flat-band potential of -0.40 V vs. Ag/AgCl (≈ 0.20 V vs. RHE), providing a limited driving force for the hydrogen evolution reaction (HER). The DRS UV-Vis analysis showed that C₃N₅ has a band gap of ~2.15 eV, compared to g-C₃N₄ (1.97 eV), enabling better visible-light absorption. The combination of these findings suggests that Cu₂O/C₃N₅ is the most promising material for PEC applications, benefiting from enhanced light absorption, improved charge transport, and increased photocurrent density. These results highlight the importance of heterojunction engineering in improving carbon nitride-based photocatalysts, making them viable for solar-driven water splitting and environmental remediation

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	TAHIR, MUHAMMAD NAWAZ
Committee Co-Advisor:	KHAN, MAJAD
Committee Members:	ULLAH, NISAR and CHANBASHA, BASHEER and GANIYU, SAHEED
Depositing User:	MOHAMMED ABDULLAHI (g201704950)
Date Deposited:	22 Jun 2025 11:21
Last Modified:	22 Jun 2025 11:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143521