Design, synthesis, and photocatalytic hydrogen production performance of novel mof-mxene hybrid materials

Abstract

Her çağın temel ihtiyacı yenilenebilir ve temiz enerjidir. Fosil yakıtların sınırlı olması ve çevreye verdikleri zararlar nedeniyle, birçok araştırmacı yıllardır bu konu üzerinde çalışmaktadır. Bu bağlamda, hidrojen geleceğin en umut verici temiz enerji taşıyıcısı olarak kabul edilmektedir. Birincil bir enerji kaynağı olmasa da, güneş gibi birincil enerji kaynakları kullanılarak üretilebilir. Hidrojenin yanması atmosfere yalnızca su buharı saldığı için hidrojen, sürdürülebilir karbonsuz enerji arayışı için ideal bir çözüm olarak düşünülmektedir. Elektrokatalitik, fotokatalitik, fotoelektrokimyasal su ayrıştırma gibi birden fazla yöntemle üretilebilir. Bu tezde, yalnızca güneş ve su kullanılarak doğrudan hidrojen gazı üretimi sağladığı için fotokatalitik su ayrıştırma en uygun yöntem olarak seçilmiştir. İdeal hidrojen üretimi, yenilenebilir enerji kullanılarak suyun bileşenlerine ayrılmasıyla sağlanabilir. Bu süreçteki en önemli nokta, suyu verimli bir şekilde ayrıştırabilen, enerjiyi depolayabilen ve dönüştürebilen malzemelerin tasarımı ve geliştirilmesidir. Bu amaçla, suyu verimli bir şekilde parçalayacak yeni fotokatalizörlerin tasarlanması ilk adımdır. Mevcut çalışmada, fotokatalizör adayları gözenekli organik-inorganik sınıftan metal organik iskelet ve geçiş metali karbürleri, nitrürleri veya karbonitrürlerinden MXene fazları olarak seçilmiştir. Koordinasyon polimerleri yapıları yüksek yüzey alanına, fonksiyonelleştirilebilir kristal ve kontrol edilebilir yapıya ve ayarlanabilir bant aralığına sahiptir; fotokatalitik hidrojen üretim uygulamalarında tercih edilmiştir. MXene, geniş yüzey alanına, zengin yüzey fonksiyonel ve terminal gruplarına, çok yüksek elektriksel iletkenliğe (6000-8000 S cm-1 ), bol miktarda aktif bölgeye, hidrofilik yapıya, yüksek mekanik mukavemete ve kimyasal kararlılığa sahiptir. Planlanan kompozit yapının koordinasyon polimerlerinin kararlılığını artırması ve MXene tabakalarının rekombinasyonunu önlemesi beklenmektedir. Önerilen tezin temel amacı, yeni MXene bazlı siklotrifosfazen türevi koordinasyon polimeri ve MOF katalizi sentezlemek, hibrit kompozitlerini hazırlayarak fotokatalitik su ayrıştırmadaki etkinliklerini araştırmaktır. Literatürdeki bilgilerimize göre, bu tez, fotokatalitik su ayrıştırma uygulaması için siklotrifosfazen türevi koordinasyon polimeri/MXene ve MOF/MXene kompozitlerinin ilk örneği olacaktır. Bu çalışma ile kataliz teknolojisi için yeni fotokatalizör adayları hazırlamak ve verimliliğin kısıtlayıcı yönlerini ortadan kaldırmak veya iyileştirmek amaçlanmıştır.The major need of all ages is to have renewable and clean energy. Many researchers have been working on this issue for years due to the limited fossil fuels and their harmful damages on the environment. In this aspect, hydrogen is considered as the most promising solution as a clean energy carrier of the future. It isn't a primary energy source, but it can be produced by using primary energy sources such as the sun. Combustion of hydrogen releases only water vapor to the atmosphere; so, hydrogen can be an ideal solution for sustainable carbon-free energy search. It can be produced in more than one way, such as electrocatalytic, photocatalytic, or photoelectrochemical water splitting. In the present thesis, photocatalytic water splitting was chosen as the most convenient methodology due to the direct production of hydrogen gas by using only the sun and water. Ideal hydrogen production can be achieved by separating water into its components using renewable energy. The most important point in this process is the design and development of materials that can efficiently split water, store, and convert energy. For this aim, designing novel photocatalysts to split water efficiently is the first step. In the current work, photocatalyst candidates were chosen as metal organic frameworks from the porous organic-inorganic class and MXene phases from transition metal carbides, nitrides, or carbonitrides as 2D materials. Coordination polymerstructures have high surface area, functionalizable crystalline and controllable structure, and tunable band gap; they have been chosen in the photocatalytic hydrogen production applications. MXene has a large surface area, rich surface functional and terminal groups, very high electrical conductivity (6000-8000 S cm-1 ), abundant active sites, hydrophilic nature, high mechanical strength, and chemical stability. It is expected that the planned composite structure will increase the stability of the coordination polymers and prevent the recombination of the MXene sheets. The main objective of the proposed thesis is to synthesize a new MXene-based cyclotriphosphazene-derived coordination polymer and MOF catalysis by preparing their hybrid composites and investigating their efficiency in photocatalytic water splitting. According to our best knowledge from the literature, the present thesis will be the first example of cyclotriphosphazene-derived Coordination polymer/MXene and MOF/MXene composites for photocatalytic water splitting application. With the present study, it was aimed to prepare novel photocatalyst candidates for the catalysis technology and eliminate or improve the restrictive aspects of efficiency.