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문주호 교수팀
문주호 교수팀, 표면 개질을 적용한 황화 안티몬 나노구조체 광산화전극 기반 요오드 산화 반응을 통해 고성능 태양광 수소 생산 소자 구현
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미세구조 제어 및 표면 개질 공정을 적용한 황화 안티몬 광산화전극을 태양광 기반 고성능 연료 생산 소자로 구현
국제적 최고 권위 저널 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.698)’에 게재
사진 1. (왼쪽부터) 문주호 교수, 김형일 교수, 박영선 석박통합과정생 (제 1 저자)
- 공과대학 신소재공학과 문주호 교수와 건설환경공학과 김형일 교수 연구팀은 황화 안티몬 광산화전극의 미세구조를 제어 하는 동시에 전극 표면 개질 공정을 진행 한 뒤 요오드 산화 반응을 구동 시켜 태양광 기반 고효율 수소 생산 소자에 적용 하였다.
- 광전극을 통한 물분해 반응은 환원 반응인 수소 발생 반응과 산화 반응인 산소 발생 반응으로 구성 되어 있으며, 유해 물질 없이 태양 에너지만으로 수소 연료를 생산할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 그러나, 산소 발생 반응의 느린 키네틱과 이를 구동 시키기 위해 기존에 사용한 광산화전극들의 낮은 빛 흡수율, 광 여기 된 전하의 낮은 분리 경향 그리고 전해질로의 전하 주입이 어려워 고성능 수소 생산의 걸림돌이 되고있다.
- 연구팀은 무 독성 분자 잉크를 기판에 스핀 코팅 하여 광산화전극 재료로 유망한 황화 안티몬 상을 합성할 수 있는 용액 공정을 제시 하였고 기판에 3 nm의 얇은 금 층을 도입해 잉크 내부의 분자들과 기판의 상호 작용을 유발하여 기판에 수직 배열된 나노 로드 구조의 황화 안티몬 흡수층을 구현 하였다. 1차원 나노 로드 구조가 빛의 산란 효과를 유발 하여 광 흡수율이 상당 부분 향상되는 효과를 보였다. 또한, 전하의 이동이 유리한 결정학적 방향으로 황화 안티몬 나노 로드가 수직 배열 되어 광 여기 된 전하의 분리 경향이 향상 되었으며, 복잡한 구조체에 의한 넓은 표면적으로 전해질로의 전하 주입 특성이 증가한 결과를 보였다.
사진2. 무 독성 분자 잉크와 금 층의 상호작용 및 황화 안티몬 나노 로드 형성 과정 모식도
- 추가적으로 황화 안티몬 나노 로드 흡수층 상층부에 암모늄 테트라사이오텅스테이트 기반 용액을 스핀 코팅 후 열처리를 진행 하였고, 이를 통해 형성 되는 비정질 황화 텅스텐 층에 의해 표면 결함이 효과적으로 개선 되었다. 따라서 광 여기 된 전하가 전극 표면 결함에서 재결합되는 경향이 줄어 들고 전해질로 주입이 향상 되는 효과를 보였다. 위와 같은 방식으로 확보한 황화 안티몬 기반 광산화전극으로 산소 발생 반응보다 반응 키네틱이 월등히 빠른 요오드 산화 반응을 구동 시켰을 때 상당히 우수한 광 전류 밀도를 보였다. 추가적으로 수소 발생 반응을 위한 페로브스카이트 흡수층 기반 광환원전극을 연결하여 외부 전압 없이 태양광 만으로 5.7 mA cm–2의 세계적인 수준의 수소 생산 전류 밀도를 발현하였다.
- 사진 3 표면 개질을 적용한 황화 안티몬 나노로드 광산화 전극 기반 태양광 수소 생산 소자 모식도
- 문주호 교수는 “본 연구는 표면 개질을 적용한 황화 안티몬 나노로드 광산화전극을 통해 차세대 태양광 기반 고성능 연료 생산 소자를 제작하는데 크게 기여할 것으로 기대된다” 라고 하였다.
- 본 연구는 한국연구재단 리더연구와 연세 시그니처 연구클러스터사업의 지원으로 수행 되었으며, 국제적으로 권위있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’에 6월 16일 온라인 게재됐다.
- [논문 정보]
논문 제목: Surface-Passivated Vertically Oriented Sb2S3 Nanorods Photoanode Enabling Efficient Unbiased Solar Fuel Production, Advanced Energy Materials 13, 202301166 (2023).
논문주소: https://doi.org/10.1002/aenm.202301166
연구진
