Rare earth doped nanomaterials for photocatalysis : characterization of Eu doped Co(OH)2

Abstract

Hydrogen production by photocatalysis is a promising approach to produce green hydrogen and lessen our reliance on fossil fuels. So far, the most well performing photocatalysts have been based on rare and expensive noble metals. In order to produce well performing, affordable, and environmentally sustainable photocatalysts, transition metal-based materials have been increasingly investigated in recent years. Many of these materials unfortunately need modifications such as doping, or size and shape engineering to achieve good photocatalytic performance. Following these modification strategies, 2D cobalt hydroxide nanoparticles, doped with rare earth element europium, were characterized in this thesis. Important concepts and processes involved in photocatalytic water splitting and rare earth doping of photocatalysts are also discussed. The results show that while europium doping was successful, the photocatalytic activity of this sample will likely remain low due to europium’s insufficient impact on optical and electronic properties of cobalt hydroxide. This characterization, however, is not comprehensive enough to fully understand the effects of the applied europium doping, nor does it compare different doping concentrations. Findings of this characterization provide valuable insight into europium doping of layered double hydroxide materials and serve as a guide for future research.

Vedyn tuotanto valokatalyysillä on lupaava tapa tuottaa vihreää vetyä ja vähentää riippuvuuttamme fossiilisista polttoaineista. Toistaiseksi tehokkaimmat valokatalyytit ovat perustuneet harvinaisiin ja kalliisiin jalometalleihin. Siirtymämetallipohjaisia materiaaleja on tutkittu viime vuosina yhä enemmän, tavoitteena tuottaa tehokkaita, edullisia ja ympäristön kannalta kestäviä valokatalyyttejä. Useat näistä materiaaleista kuitenkin tarvitsevat modifiointia, kuten douppausta, tai koon ja muodon optimointia hyvän valokatalyyttisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Näitä modifiointistrategioita hyödyntäen tässä opinnäytetyössä karakterisoitiin 2D-kobolttihydroksidinanohiukkasia, joita oli doupattu harvinaisiin maametalleihin kuuluvalla europiumilla. Työssä esitellään myös tärkeitä käsitteitä ja prosesseja, jotka liittyvät valokatalyyttiseen veden hajottamiseen ja valokatalyyttien douppaamiseen harvinaisilla maametalleilla. Tulokset osoittavat, että vaikka douppaaminen europiumilla onnistui, näytteen valokatalyyttinen aktiivisuus jää todennäköisesti alhaiseksi, koska europiumilla on riittämätön vaikutus kobolttihydroksidin optisiin ja elektronisiin ominaisuuksiin. Tämä karakterisointi ei kuitenkaan ole tarpeeksi kattava täysin selittämään toteutetun europium-douppauksen vaikutuksia, eikä siinä verrata erisuuruisia douppauspitoisuuksia. Tämän tutkimuksen havainnot kuitenkin antavat arvokasta tietoa kerrostettujen kaksoishydroksidimateriaalien douppaamisesta europiumilla ja toimivat pohjana tulevalle tutkimukselle.