Plasma-enhanced chemical vapor deposition of thin-film carbon-nitrogen semiconductive catalysts
Chemiczne nakładanie w zimnej plazmie cienkowarstwowych półprzewodnikowych katalizatorów węglowo-azotowych
Project type: Research and development
Keywords: zimna plazma chemiczne nakładanie z fazy gazowej cienkie warstwy półprzewodniki węglowo-azotowe fotokataliza
Keywords (english): cold plasma chemical vapor deposition thin films carbon-nitrogen semiconductors photocatalysis
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 31/08/2021 - 27/02/2023
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Miniatura-5
Project manager: Maciej Fronczak
Funding value: 47 300,00 PLN
Total project value: 47 300,00 PLN
Materiały węglowo-azotowe znane są ze swoich właściwości półprzewodnikowych. Przykładami takich materiałów są: grafitopodobny azotek węgla [1–3] czy polianilina [4]. Obecnie, materiały węglowo-azotowe są z powodzeniem badane pod kątem fotokatalitycznej produkcji wodoru [5,6]. Najczęstszym sposobem syntezy takich materiałów są procesy polimeryzacji lub polikondensacji. Oryginalną propozycją w tym zakresie jest chemiczne nakładanie w zimnej plazmie (PECVD z ang. plasma-enhanced chemical vapor deposition), które pozwala na otrzymanie cienkich warstw (poniżej 1 μm) wielu rozmaitych materiałów. To nowatorska i wciąż rozwijana metoda polega na rozkładzie prekursorów organicznych lub metaloorganicznych pod wpływem wyładowania jarzeniowego w niskim ciśnieniu z następczymi reakcjami, w wyniku których tworzy się cienkowarstwowy materiał [7,8]. W literaturze można znaleźć przykłady zastosowania PECVD do wytwarzania materiałów węglowo-azotowych z mieszaniny N2, CH4 i H2 [9], mieszaniny N2 i CH4 [10], czy mieszaniny NH3 i C2H2 [11]. Podejmowano też nieliczne próby wytwarzania takich warstw z prekursorów węglowo-azotowych [12,13]. Ta ostatnia droga wydaje się szczególnie interesująca, daje bowiem szerokie możliwości projektowania na poziomie molekularnym struktury wytwarzanych półprzewodników. Umożliwia również kontrolowane domieszkowanie warstw wytwarzanych w procesie plazmowej depozycji. Domieszkowanie materiałów węglowo-azotowych przykładowo kobaltem wzmacnia właściwości fotokatalityczne [14,15]. Celem przedstawionego projektu jest przeprowadzenie badań nad syntezą cienkowarstwowych materiałów węglowo-azotowych metodą depozycji plazmowej. Projekt obejmuje systematyczne badania nad wpływem parametrów procesowych, takich jak ciśnienie w reaktorze, szybkość przepływu prekursorów, moc wyładowania jarzeniowego, jak też rodzaj stosowanych prekursorów lub ich mieszanin na strukturę molekularną, nanostrukturę oraz wydajność fotokatalityczną uzyskiwanych materiałów. Stosowanymi prekursorami będą głównie lotne organiczne związki azotowe (np. metyloamina, acetonitryl, akrylonitryl, anilina), jak również lotne kompleksy metali przejściowych (przykładowo kobaltu, żelaza czy niklu), które w procesie plazmowym wprowadzać będą atomy tego metalu jako domieszkę elektronową do wytwarzanych półprzewodników. Należy podkreślić, że uzyskane w ten sposób domieszkowane cienkie warstwy stanowić będą zupełnie nową klasę półprzewodników węglowo-azotowych. Nanowarstwy będą osadzane na krzemie oraz ITO (indium-tin oxide). Przewidywanym efektem realizacji projektu jest wytworzenie cienkowarstwowych katalizatorów aktywnych w procesach fotokatalitycznych. Zsyntezowane materiały będą zbadane w celu ustalenia składu fazowego z wykorzystaniem metod dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Ponadto, struktura molekularna wytworzonych warstw będzie określona za pomocą spektroskopii fotoelektronów (XPS), mikroanalizy rentgenowskiej (EDS), a także spektroskopii w podczerwieni (FTIR). Morfologia i nanostruktura warstw będzie z kolei obrazowana za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Następnie wybrane materiały zostaną scharakteryzowane pod kątem ich właściwości fotokatalitycznych w procesach produkcji wodoru: (i) w wyniku fotokatalitycznego rozkładu wody (water splitting), oraz (ii) w wyniku reformingu metanolu. Literatura 1 M. Fronczak, P. Fazekas, Z. Károly, B. Hamankiewicz and M. Bystrzejewski, Chem. Eng. J., 2017, 322, 385–396. 2 M. Fronczak, J. Environ. Chem. Eng., 2020, 8, 104411. 3 G. Liao, Y. Gong, L. Zhang, H. Gao, G.-J. Yang and B. Fang, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 2080–2147. 4 M. B. Tagani and S. I. Vishkayi, J. Appl. Phys., 2018, 124, 084304. 5 N. Meng, J. Ren, Y. Liu, Y. Huang, T. Petit and B. Zhang, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 566–571. 6 H. Che, G. Che, P. Zhou, C. Liu, H. Dong, C. Li, N. Song and C. Li, Chem. Eng. J., 2020, 382, 122870. 7 H. Biederman, Plasma Polymer Films, Imperial College Press, London, 2004. 8 C. R. S. V. Boas, B. Focassio, E. Marinho, D. G. Larrude, M. C. Salvadori, C. R. Leão and D. J. dos Santos, Sci. Rep., 2019, 9, 13715. 9 J. L. He and W. L. Chang, Thin Solid Films, 1998, 312, 86–92. 10 J. H. Kim, D. H. Ahn, Y. H. Kim and H. K. Baik, J. Appl. Phys., 1997, 82, 658–665. 11 S. F. Lim, A. T. S. Wee, J. Lin, D. H. C. Chua and K. L. Tan, J. Mater. Res., 1999, 14, 1153–1159. 12 L. Jozwiak, J. Balcerzak, A. Kubiczek and J. Tyczkowski, Thin Solid Films, 2018, 660, 161–165. 13 S. N. Jampala, M. Sarmadi, S. Manolache and F. S. Denes, J. Appl. Polym. Sci., 2008, 107, 1686–1695. 14 Y. Xue, S. Lu, Z. Liang, Y. Guo, H. Cui and J. Tian, J. Colloid Interface Sci., 2020, 561, 719–729. 15 S. Qiao, J. Guo, D. Wang, L. Zhang, A. Hassan, T. Chen, C. Feng, Y. Zhang and J. Wang, Int. J. Hydrogen Energy, 2020, 45, 1629–1639.
-
Go back