미래의 청정 에너지원으로 기대되는 태양에너지를 활용하여 수소를 생산할 수 있는 광 전극에 대한 촉매 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 태양광을 활용하여 수소를 생산할 때, 단 원자 층 백금 촉매를 사용하여 비용을 절감하고 효율을 증가시키는 방법을 탐구하였다. 빛을 흡수하는 반도체인 실리콘 기판(Silicon wafer)위에 단 원자 층 두께의 백금 필름이 있는 금나노 입자를 촉매로 태양광 에너지로부터 물을 분해해 수소를 생산 하는 연구를 수행하였다. 첫째, 금나노 구조를 실리콘 기판 위에 제조하기 위해 실리콘 기판을 용액에 담그는 갈바닉 ...
미래의 청정 에너지원으로 기대되는 태양에너지를 활용하여 수소를 생산할 수 있는 광 전극에 대한 촉매 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 태양광을 활용하여 수소를 생산할 때, 단 원자 층 백금 촉매를 사용하여 비용을 절감하고 효율을 증가시키는 방법을 탐구하였다. 빛을 흡수하는 반도체인 실리콘 기판(Silicon wafer)위에 단 원자 층 두께의 백금 필름이 있는 금나노 입자를 촉매로 태양광 에너지로부터 물을 분해해 수소를 생산 하는 연구를 수행하였다. 첫째, 금나노 구조를 실리콘 기판 위에 제조하기 위해 실리콘 기판을 용액에 담그는 갈바닉 변이(Galvanic Displacement)방법을 이용하였다. 금속 필름(Metal Film)은 빛을 반사하여 실리콘의 빛 흡수를 방해하므로 나노구조가 필수적인데, 갈바닉 변이 방법으로 용액에 실리콘을 담그는 간단한 공정으로 금 나노구조를 제조하였다. 둘째, 단윈자층 백금을 금 나노구조에 도금해 백금의 사용량을 줄이는 전기화학적 방법을 탐구하였다. 백금 필름의 두께를 단원자막(Monoatomic layer)으로 조절하는 것은 매우 힘들어, 대신 구리(Copoper)를 희생층(sacrificial layer)으로 이용하는 방법을 이용하였다. 구리 전기도금 용액에서 적절한 전압을 가하면 UPD(underpote ntial deposition)로 알려진 현상으로 금 표면에만 구리의 단원자막(monoatomic layer)을 전기도금 할 수 있다. 이 구리(단원자막)/금나노 구조/실리콘 기판을 백금이 온이 있는 용액에 넣으면, 이온화 경향이 큰 구리는 쉽게 전자를 잃고, 이온화 경향이 작은 백금이온은 쉽게 그 전자를 받아 환원 되면서 단 원자 층의 백금 필름, 즉 백금 (단원자막)/금나노구조/실리콘을 제조할 수 있었다. 백금/금나노구조/실리콘은 태양광을 받아 수소를 발생할 때 기존 방법과 비교 해 적 은 백금의 양으로 동일한 수소발생 거의 동일한 효율이 관찰되었고, 백금/금나노 구조 /실리콘이 백금이 없는 금나노구조/실리콘과 효율이 증가되어 기존의 백금으로만 제 조 된 촉매와 유사한 값을 보여주었다. 이 결과를 통해 백금의 전기도금이 성공적이며 수소발생에 대한 백금의 높은 촉매활성을 확인할 수 있었다. 결론적으로 넓어진 표면적과 커진 촉매활성의 두 가지 효과가 시너지를 일으켜 적은 양의 백금으로도 효율적인 태양광 수소생산이 가능한 것을 보여준 연구결과이다. 이 는 태양광 수소생산의 고질적인 문제 중 하나인 촉매의 생산단가 문제를 크게 개선할 수 있는 가능성을 보여준다.
미래의 청정 에너지원으로 기대되는 태양에너지를 활용하여 수소를 생산할 수 있는 광 전극에 대한 촉매 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 태양광을 활용하여 수소를 생산할 때, 단 원자 층 백금 촉매를 사용하여 비용을 절감하고 효율을 증가시키는 방법을 탐구하였다. 빛을 흡수하는 반도체인 실리콘 기판(Silicon wafer)위에 단 원자 층 두께의 백금 필름이 있는 금나노 입자를 촉매로 태양광 에너지로부터 물을 분해해 수소를 생산 하는 연구를 수행하였다. 첫째, 금나노 구조를 실리콘 기판 위에 제조하기 위해 실리콘 기판을 용액에 담그는 갈바닉 변이(Galvanic Displacement)방법을 이용하였다. 금속 필름(Metal Film)은 빛을 반사하여 실리콘의 빛 흡수를 방해하므로 나노구조가 필수적인데, 갈바닉 변이 방법으로 용액에 실리콘을 담그는 간단한 공정으로 금 나노구조를 제조하였다. 둘째, 단윈자층 백금을 금 나노구조에 도금해 백금의 사용량을 줄이는 전기화학적 방법을 탐구하였다. 백금 필름의 두께를 단원자막(Monoatomic layer)으로 조절하는 것은 매우 힘들어, 대신 구리(Copoper)를 희생층(sacrificial layer)으로 이용하는 방법을 이용하였다. 구리 전기도금 용액에서 적절한 전압을 가하면 UPD(underpote ntial deposition)로 알려진 현상으로 금 표면에만 구리의 단원자막(monoatomic layer)을 전기도금 할 수 있다. 이 구리(단원자막)/금나노 구조/실리콘 기판을 백금이 온이 있는 용액에 넣으면, 이온화 경향이 큰 구리는 쉽게 전자를 잃고, 이온화 경향이 작은 백금이온은 쉽게 그 전자를 받아 환원 되면서 단 원자 층의 백금 필름, 즉 백금 (단원자막)/금나노구조/실리콘을 제조할 수 있었다. 백금/금나노구조/실리콘은 태양광을 받아 수소를 발생할 때 기존 방법과 비교 해 적 은 백금의 양으로 동일한 수소발생 거의 동일한 효율이 관찰되었고, 백금/금나노 구조 /실리콘이 백금이 없는 금나노구조/실리콘과 효율이 증가되어 기존의 백금으로만 제 조 된 촉매와 유사한 값을 보여주었다. 이 결과를 통해 백금의 전기도금이 성공적이며 수소발생에 대한 백금의 높은 촉매활성을 확인할 수 있었다. 결론적으로 넓어진 표면적과 커진 촉매활성의 두 가지 효과가 시너지를 일으켜 적은 양의 백금으로도 효율적인 태양광 수소생산이 가능한 것을 보여준 연구결과이다. 이 는 태양광 수소생산의 고질적인 문제 중 하나인 촉매의 생산단가 문제를 크게 개선할 수 있는 가능성을 보여준다.
Pt monolayer decorated gold nanostructured film on planar p-type silicon is utilized for photoelectrochemical H₂generation in this work. First, gold nanostructured film on silicon was spontaneously produced by galvanic displacement of the reduction of gold ion and the oxidation of silicon in the pre...
Pt monolayer decorated gold nanostructured film on planar p-type silicon is utilized for photoelectrochemical H₂generation in this work. First, gold nanostructured film on silicon was spontaneously produced by galvanic displacement of the reduction of gold ion and the oxidation of silicon in the presence of fluoride anion. Second, underpotential deposition(UPD) of copper under illumination produced Cu monolayer on gold nanostructured film followed by galvanic exchange of less-noble Cu monolayer with more-noble PtCl62-. Pt(shell)/Au(core) on p-type silicon showed the similar activity with platinum nanoparticle on silicon for photoelectrochemical hydrogen evolution reaction in spite of low platinum loading. From Tafel analysis, Pt(shell)/ Au(core) electrocatalyst shows the higher area-specific activity than platinum nanoparticle on silicon demonstrating the significant role of underlying gold for charge transfer reaction from silicon to H+ through platinum catalyst.
Pt monolayer decorated gold nanostructured film on planar p-type silicon is utilized for photoelectrochemical H₂generation in this work. First, gold nanostructured film on silicon was spontaneously produced by galvanic displacement of the reduction of gold ion and the oxidation of silicon in the presence of fluoride anion. Second, underpotential deposition(UPD) of copper under illumination produced Cu monolayer on gold nanostructured film followed by galvanic exchange of less-noble Cu monolayer with more-noble PtCl62-. Pt(shell)/Au(core) on p-type silicon showed the similar activity with platinum nanoparticle on silicon for photoelectrochemical hydrogen evolution reaction in spite of low platinum loading. From Tafel analysis, Pt(shell)/ Au(core) electrocatalyst shows the higher area-specific activity than platinum nanoparticle on silicon demonstrating the significant role of underlying gold for charge transfer reaction from silicon to H+ through platinum catalyst.
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