Synthesis of Magneli phase Tungsten oxide-based Thin Films for Photoelectrochemical Water Splitting. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 16 June 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الأطروحة تصميمَ وتصنيعَ وتقييمًا منهجيًا لأغشية رقيقة من أكسيد التنغستن في طور ماغنيلي، ومشتقاتها البلازمونية لإنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية عبر انقسام الماء الكهروضوئي باستخدام الرش المغناطيسي والمعالجات الحرارية ، قمنا بتصنيع أغشية رقيقة من W₁₈O₄₉ ثم قمنا بإضافة الذهب لتحسين امتصاص الضوء وفصل الشحنات. بناءً على ذلك، قمنا ببناء هياكل غير متجانسة وغير مباشرة من مخطط Z، وهي ZnO-Au-WO₃ وBi₂O₃-Au-W18O49 ، حيث عمل كلا من أكسيد الزنك و أكسيد البزموث كطبقات نقل إلكتروني عالية الحركة وممتصات ممتدة للضوء المرئي. في الوقت نفسه، عملت جسيمات الذهب النانوية كوسيطات إلكترونية بين الطبقات. تم استخدام مجموعة من الأجهزة المتقدمة لدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد المُحضّرة، شملت جهاز حيود الأشعة السينية (XRD) لتحديد البنية البلورية، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل الشكل السطحي، ومطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis) لدراسة الخصائص البصرية، بالإضافة إلى مطياف الأشعة السينية الفوتوالإلكترونية (XPS) لتحليل التركيب الكيميائي السطحي. أظهرت قياسات التحليل الكهروضوئي الكيميائي (PEC) أن إضاءة AM1.5G على سطح الأقطاب المزينة بجسيمات الذهب أدت إلى زيادة في كثافة التيار الضوئي بأكثر من 40% مقارنةً بأقطاب أكسيد التنجستن النقي. كما أن التعديل بأكسيد الزنك أدى إلى تضاعف التيار الضوئي وتحول كاثودي في جهد البدء بمقدار 150 مللي فولت، مما يشير إلى تحسين كبير في كفاءة الفصل الشحني. ساهم تكوين مخطط Z المعتمد على Bi₂O₃ في توسيع نطاق الاستجابة الطيفية حتى 450 نانومتر، مع تحقيق استقرار تشغيلي استثنائي تجاوز الأربع ساعات وبمعدل انحلال أقل من 5%. ويُعزى هذا الأداء المحسن إلى تحسين كفاءة فصل الشحنات وتقليل معدلات إعادة الاندماج بين الإلكترونات والفجوات. تُبرز هذه الدراسة الإمكانيات الواعدة لتطوير أغشية رقيقة هجينة قائمة على مخطط Z، لا تُستخدم فقط في فصل الماء لإنتاج الهيدروجين الشمسي، بل أيضًا في تطبيقات أخرى مثل إزالة الملوثات العضوية، تقليل ثاني أكسيد الكربون، والتحفيز الضوئي البيئي، مما يجعلها منصة متعددة الاستخدامات في تقنيات الطاقة والبيئة.

English Abstract

This thesis presents the design, fabrication, and systematic evaluation of Magnéli phase tungsten oxide–based thin films for solar-driven hydrogen production via photoelectrochemical (PEC) water splitting. Using the magnetron sputtering technique and controlled thermal treatments, we synthesized sub-stoichiometric W₁₈O₄₉ thin films, then engineered Au/WO₃ photoanodes to harness localized surface plasmon resonance for enhanced light absorption and charge separation. Building on this, we constructed indirect Z-scheme heterostructures ZnO-Au-WO₃ and Bi₂O₃-Au-W18O49, in which ZnO and Bi₂O₃ functioned respectively as high mobility electron transport layers and extended visible light absorbers. At the same time, Au nanoparticles served as solid-state electron mediators. Comprehensive structural (XRD), morphological (SEM), compositional (XPS/EDS), and optical (UV–Vis) characterizations revealed tailored crystallinity, defect densities, and band edge alignments that underpin charge carrier dynamics. PEC measurements under simulated AM 1.5G illumination demonstrated that Au modification increased photocurrent densities by over 40% compared to bare W18O49, while the ZnO-enhanced Z scheme architecture achieved a two-fold increase in photocurrent and a 150 mV cathodic shift in onset potential. The Bi₂O₃-based Z scheme further broadened the spectral response up to 450 nm and exhibited exceptional operational stability (>4h with <5% decay), attributed to synergistic plasmonic and interface-driven charge recombination pathways. Through detailed analysis of film thickness, morphology, and interfacial phenomena, clear structure-property relationships were established, guiding optimal heterostructure design. These findings advance the understanding of Magnéli phase WOₓ photoanodes and demonstrate a versatile platform for engineering high-performance, durable PEC systems, bringing sustainable solar hydrogen generation a significant step closer to practical realization.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Physics
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	DRMOSH, QASEM A.
Committee Co-Advisor:	KHAN, ABUZAR
Committee Members:	QAMAR, MUHAMMAD
Depositing User:	MUHAMMED L FATTY (g202215960)
Date Deposited:	17 Jun 2025 05:54
Last Modified:	17 Jun 2025 05:54
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143546