이 연구는 산화물 반도체 전극으로 잘 알려진 BiVO4 전극의 물산화 반응에서의 특성을 광전기화학적인 실험을 통해 분석한 연구이다. BiVO4 는 가시광 영역에서 광촉매적인 활성을 나타내는 물질로써 많은 연구가 진행되어지고 있다. 그러나 BiVO4 는 분리된 electron과 hole의 재결합 속도가 빠르기 때문에 분리된 electron-hole pair가 효과적으로 사용될 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이 연구는 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능을 향상시키기 위한 방법으로 doping, heterojuction, catalyst deposition을 사용하여 BiVO4 를 개량하고, ...
이 연구는 산화물 반도체 전극으로 잘 알려진 BiVO4 전극의 물산화 반응에서의 특성을 광전기화학적인 실험을 통해 분석한 연구이다. BiVO4 는 가시광 영역에서 광촉매적인 활성을 나타내는 물질로써 많은 연구가 진행되어지고 있다. 그러나 BiVO4 는 분리된 electron과 hole의 재결합 속도가 빠르기 때문에 분리된 electron-hole pair가 효과적으로 사용될 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이 연구는 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능을 향상시키기 위한 방법으로 doping, heterojuction, catalyst deposition을 사용하여 BiVO4 를 개량하고, AM 1.5-light (100 mW/cm2), 0.1 M phosphate 전해질(pH 7)에서의 광전기화학적 실험을 통하여 개량된 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능 향상을 확인하였다. 또한, charge separation과 charge injection efficiency의 개념을 도입하여 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능 향상의 효과를 정량적으로 분석하였다. doping은 dopant를 삽입하여 BiVO4 의 광전기화학적 활성을 증가시키는 방법으로 6 가인 전이 금속Cr6+, W6+. Mo6+ 를 다양한 doping level 에 따라 비교하였다. heterojuction 은 BiVO4 의 밴드갭과 비슷한 광촉매를 bi-layer 형태로 제작하여 charge recombination 을 감소시키는 방법으로 600 nm 두께의 WO3 layer 를 Mo-BiVO4 의 위에 deposition하여 binary heterojuction (WO3/Mo-BiVO4) 를 제작 하였다. Catalyst deposition 는 전극의 표면에서 hole이 전해질에 전달될 때 kinetic limit 를 넘어 charge injection efficiency 를 증가시켜주는 방법으로, Oxygen evolving catalyst 로 pH 7에서 효과가 좋은 Cobalt phosphate (Co-Pi) 를 선택하여 Mo-BiVO4 전극의 표면에 electrodepostion 법으로 부착하여 성능을 평가하였다. 마지막으로 세 가지 개량 방법을 모두 결합한 ternary heterojunction 을 제작하여 그 광전기화학적 활성을 비교하였다. 다음은 개량된 BiVO4 전극의 광전기화학적 활성을 비교한 결과이다. 1. 10 %의 Mo6+ 가 도핑된 BiVO4 의 광전류가 물산화 전압인 1.23 VRHE 에서 두 배가량 증가하는 것을 볼 수 있었으며 전극과 전해질 사이의 저항인 charge resistance (RCT) 또한 감소하는 결과를 통해 도핑이 효과적으로 작용하는 것을 볼 수 있었다. Charge separation efficiency (ηsep)의 경우, Mo6+가 도핑된 BiVO4 에서 2 배가량 증가하는 결과를 얻었다. 2. WO3/Mo-BiVO4 binary heterojuction 의 경우, ηsep 은 50 %, 광전류는 3배 증가하는 결과를 얻었다. 3. Mo-BiVO4/Co-Pi 의 경우, charge injection efficiency (ηinj)가 1.23 VRHE 에서 50 ~ 70 %로 증가하였다. 4. 두 binary heterojuction 을 결합한 ternary heterojuction (WO3/Mo-BiVO4/Co-Pi) ternary heterojuction 의 경우, 1.23 VRHE 에서 2.4 mA/cm2 의 광전류를 확인할 수 있으며, ηsep , ηinj 의 경우 각각 60 %, 90 % 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 결론적으로 doping은 charge separation, heterojuction 은 charge separation, catalyst deposition은 charge injection 을 향상시키는 역할을 함을 알 수 있었으며, 세 가지 개량 방법이 모두 적용된 ternary heterojuction의 경우, charge transfer efficiency (ηsep , ηinj)를 향상시키는 역할을 함을 알 수 있었다.
이 연구는 산화물 반도체 전극으로 잘 알려진 BiVO4 전극의 물산화 반응에서의 특성을 광전기화학적인 실험을 통해 분석한 연구이다. BiVO4 는 가시광 영역에서 광촉매적인 활성을 나타내는 물질로써 많은 연구가 진행되어지고 있다. 그러나 BiVO4 는 분리된 electron과 hole의 재결합 속도가 빠르기 때문에 분리된 electron-hole pair가 효과적으로 사용될 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이 연구는 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능을 향상시키기 위한 방법으로 doping, heterojuction, catalyst deposition을 사용하여 BiVO4 를 개량하고, AM 1.5-light (100 mW/cm2), 0.1 M phosphate 전해질(pH 7)에서의 광전기화학적 실험을 통하여 개량된 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능 향상을 확인하였다. 또한, charge separation과 charge injection efficiency의 개념을 도입하여 BiVO4 전극의 광전기화학적 성능 향상의 효과를 정량적으로 분석하였다. doping은 dopant를 삽입하여 BiVO4 의 광전기화학적 활성을 증가시키는 방법으로 6 가인 전이 금속 Cr6+, W6+. Mo6+ 를 다양한 doping level 에 따라 비교하였다. heterojuction 은 BiVO4 의 밴드갭과 비슷한 광촉매를 bi-layer 형태로 제작하여 charge recombination 을 감소시키는 방법으로 600 nm 두께의 WO3 layer 를 Mo-BiVO4 의 위에 deposition하여 binary heterojuction (WO3/Mo-BiVO4) 를 제작 하였다. Catalyst deposition 는 전극의 표면에서 hole이 전해질에 전달될 때 kinetic limit 를 넘어 charge injection efficiency 를 증가시켜주는 방법으로, Oxygen evolving catalyst 로 pH 7에서 효과가 좋은 Cobalt phosphate (Co-Pi) 를 선택하여 Mo-BiVO4 전극의 표면에 electrodepostion 법으로 부착하여 성능을 평가하였다. 마지막으로 세 가지 개량 방법을 모두 결합한 ternary heterojunction 을 제작하여 그 광전기화학적 활성을 비교하였다. 다음은 개량된 BiVO4 전극의 광전기화학적 활성을 비교한 결과이다. 1. 10 %의 Mo6+ 가 도핑된 BiVO4 의 광전류가 물산화 전압인 1.23 VRHE 에서 두 배가량 증가하는 것을 볼 수 있었으며 전극과 전해질 사이의 저항인 charge resistance (RCT) 또한 감소하는 결과를 통해 도핑이 효과적으로 작용하는 것을 볼 수 있었다. Charge separation efficiency (ηsep)의 경우, Mo6+가 도핑된 BiVO4 에서 2 배가량 증가하는 결과를 얻었다. 2. WO3/Mo-BiVO4 binary heterojuction 의 경우, ηsep 은 50 %, 광전류는 3배 증가하는 결과를 얻었다. 3. Mo-BiVO4/Co-Pi 의 경우, charge injection efficiency (ηinj)가 1.23 VRHE 에서 50 ~ 70 %로 증가하였다. 4. 두 binary heterojuction 을 결합한 ternary heterojuction (WO3/Mo-BiVO4/Co-Pi) ternary heterojuction 의 경우, 1.23 VRHE 에서 2.4 mA/cm2 의 광전류를 확인할 수 있으며, ηsep , ηinj 의 경우 각각 60 %, 90 % 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 결론적으로 doping은 charge separation, heterojuction 은 charge separation, catalyst deposition은 charge injection 을 향상시키는 역할을 함을 알 수 있었으며, 세 가지 개량 방법이 모두 적용된 ternary heterojuction의 경우, charge transfer efficiency (ηsep , ηinj)를 향상시키는 역할을 함을 알 수 있었다.
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