초록 ▼

연구의 목적 및 내용
연구목적: 태양광 촉매 물 분해 방식의 청정 에너지원인 수소의 제조기술 관련 가시광 수소발생 효율을 극대화하기 위해 다양한 나노구조 복합 반도체의 제조공정을 확보하고, 전기적, 광학적, 미세구조 특성분석 및 광촉매 전기화학적 특성 해석을 통한 가시광촉매 이중전극 방식의 고효율 수소발생 시스템의 개발을 연구목표로 한다.
연구내용: 연차별 연구내용은 다음과 같다. 1차년도: n-type 나노복합 반도체 기초연구(M_xO_y(M=Ti,Zn,W,Ta,Fe) 나노구조전극 공

연구의 목적 및 내용
연구목적: 태양광 촉매 물 분해 방식의 청정 에너지원인 수소의 제조기술 관련 가시광 수소발생 효율을 극대화하기 위해 다양한 나노구조 복합 반도체의 제조공정을 확보하고, 전기적, 광학적, 미세구조 특성분석 및 광촉매 전기화학적 특성 해석을 통한 가시광촉매 이중전극 방식의 고효율 수소발생 시스템의 개발을 연구목표로 한다.
연구내용: 연차별 연구내용은 다음과 같다. 1차년도: n-type 나노복합 반도체 기초연구(M_xO_y(M=Ti,Zn,W,Ta,Fe) 나노구조전극 공정기술 확보, QDs(CdS, CdSe)/M_xO_y(M=Ti, Zn) 나노복합체 전극 공정기술 확보), 2차년도: p-type 나노 복합 반도체 기초연구(CuO, CuZnSnS, NiO 나노구조전극 공정기술 확보), 3차년도: 단일, 이중전극 시스템 기초연구(n-TiO₂ : p-CuO, Quantum dot(CdS, CdSe) 효과 분석, Photocurrent, GC, Monochromator 특성분석)
연구결과
연차별 연구수행 성과를 태양광 물 분해 시스템 특성 평가 및 전극제작 공정 중심으로 요약하면 다음과 같다. 1차년도: n-type photoanode용 TiO₂ nanotube(NT)/Ti 전극은 양극산화를 이용하여 제작하였다. 길이가 약 ~8.0μm, 직경이 약 130~150nm인 nanotube가 형성되었다. FTO 유리 위에 TiO₂ nanotube를 형성시키기 위해 FTO유리에 전해도금을 통해 접착층인 Sn-Zn을 만들었다. 접착층이 형성된 FTO 위에 Ti foil을 핫프레스를 통해 서로 붙인 후 양극산화를 통해 길이가 1.6μm, 직경이 약 56nm인 나노튜브가 FTO에 성장되었다. 투명전극에 TiO₂ nanorod를 수열합성을 통해 기판에 수직하게 형성하였다. . XRD분석으로 rutile상의 nanorod를 450℃ 어닐링 후에 확인되었다. TiO₂ nanorod는 길이가 약 ~2.0μm, 직경이 ~90nm이다. TEM 분석결과 형성된 nanorod의 단결정 패턴이 확인되었다. 또한 형성된 nanorod는 cluster를 형성하고 있었다. XRD 분석에서 (450도 어닐링 된 TiO2) nanrod의 상은 Rutile 상으로 나왔다. XRD 분석에서 nanrod의 상은 Rutile 상으로 나왔다. 2차년도: Quantum dot(CdS, CdSe) sensitized TiO₂ nanotube, nanorod 전극은 SILAR를 이용하여 제작되었다. 주요 변수는 용액의 농도와 용매 담지횟수이며 앞의 변수 증가할수록 화합물의 크기가 증가되었다. TEM으로 직경이 4~6nm(5cycle), 12~18nm(20cycle)인 CdS 입자들을 확인하였다. 반면 같은 5cycle에서 직경이 10~14nm인 CdSe 입자들이 확인되었다. 알콜 용매를 사용하였을 때 계면에너지가 낮아 형성이 용이하였다. TiO₂ nanotube와 nanorod 전극을 이용한 단일전극 시스템 평가는 photocurrent density와 IPCE 측정으로 진행하고 각 측정데이터를 변환하여 photoconversion efficiency와 quantum efficiency를 계산하였다. bare TiO₂를 비교하였을 때, 단결정 nanotube보다 단결정 nanorod에서의 값이 더 높았다. 하지만, 표면적이 넓은 특징으로 sensitized TiO₂에서는 tube에서의 값이 더 높게 측정되었다. IPCE(%)에서 QDs에 의한 가시광 특성 변화가 확인되었다. bare TiO₂는 최대 400nm부근까지 효율이 나오지만, QDs co-sensitized TiO₂전극에서 최대 700nm까지 효율이 나왔다. 짧은 파장에서의 효율이 전반적으로 증가 되었고 광변환효율과 양자효율에서도 IPCE와 동일한 경향이 확인되었다. 3차년도: p-type photocathode용 CuO nanosheet 전극 제작공정을 확보하였다. 주요변수는 TiO₂ nanorod 공정과 동일하다. 반응온도와 시간이 증가하면서 형성된 두께가 증가되었다. 전자회절 패턴에서 다결정 패턴이 확인되었다. CZTS(CuZnSnS)film은 SILAR공정과 동일한 방식으로 제작되었다. CuO 전극을 이용한 단일전극 시스템 평가도 TiO2 전극과 같은 방식으로 진행되었다. TiO₂전극의 photocurrent 측정시 사용된 Na₂S전해질에서 광부식현상이 확인되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 가지 다른 전해질(Na₂SO₄, NaOH, KOH)을 이용하여 테스트하였다. KOH를 사용하였을 때 광부식 현상으로부터 안정적이었다. 서로 다른 type의 외인성반도체 단일전극 평가에서 큰 차이점은 photocurrent가 측정된 potential이며, n-type일 경우, positive potential에서, p-type은 negative potential에서 photocurrent를 얻을 수 있었다. 이중전극 시스템의 평가는 CdSe/CdS/TiO₂NT-Pt, CdSe/CdS/TiO₂NR-Pt로 구성된 시스템에서 수소발생량을 측정하는 방식으로 진행하였다. NR-Pt 시스템에서 백색광 조사아래 1시간동안 1550μmol/cm²의 수소가 생성되었다. Pt전극 대신 CuO로 교환하면 양전극에서 생성된 majority carrier의 증가로 총 net photocurrent density가 증가될 것이며 이에 따라 최대 수소발생량이 2000μmol/cm² 이상 증가될 것으로 기대됨.
연구결과의 활용계획
다양한 형태의 나노구조 반도체를 이용한 고효율 광촉매 수소발생 이중전극 시스템에 대한 연구 결과는 나노구조 반도체를 이용한 태양광 CO₂ 변환 에탄올 생산시스템, 태양광 오염물질 정화 시스템과, 생체진단 의료용 센서분야, 태양전지분야 그리고 수소감지 및 저장장치분야에 응용 가능하여 관련 산업 및 연구의 지식기반의 역할이 기대 된다.

Abstract ▼

Purpose & contents
The purpose is to develop double electrode system for a hydrogen production system by visible-light water-splitting renewable and friendly ecologically, which will be an important energy source in a hydrogen energy era. It involves the demonstration of the performance through

Purpose & contents
The purpose is to develop double electrode system for a hydrogen production system by visible-light water-splitting renewable and friendly ecologically, which will be an important energy source in a hydrogen energy era. It involves the demonstration of the performance through fabrication of efficient nano-structured semiconductors, modeling and understanding hydrogen production mechanism.
Detail studies in this research are follows; 1st year: basic study fornanostructured-TiO₂ production between TiO₂ nanorod and TiO₂ nanotubes by anodization/set-up for hydrogen water splitting tester and testing, 2nd year: basic study forfor nano-composite semiconductors, like QD sensitized TiO₂ nanorod and TiO₂ nanotube and then confirm to absorption effects in visible light, 3rd year: Studies for efficient fabricated double electrod system by using p-type/n-type photoelectrode material and mearsure the properties.
Result
Single-electrode system and a dual electrode system for water splitting Solar characteristics, evaluation and production process with a focus on the yearly performance can be summarized as follows.*1st year: N-type photoanode for TiO₂nanotube(NT)/Ti electrode fabricated using anodization. Formed nanotube diamerter , length are around 130~150nm, 8.0 μm respectively. Ti foil was affixed to Sn-Zn/FTO glass by using the hotpressing to form the nanotubes. After that by anodization, the length of 1.6μm, 56nm in diameter nanotubes were grown. The transparent electrode of TiO2 nanorods was formed perpendicular to the substrate through hydrothermal synthesis. After annealing at 450℃, the rutile TiO₂ phase appearing in the XRD patterns was confirmed. TiO₂ nanorod length ~ 2.0μm, ~ 90nm in diameter. TEM analysis of single crystals formed nanorod patterns were identified. Are also formed nanorod cluster formation. *2nd year: Quantum dot (CdS, CdSe) sensitized TiO₂ nanotube, nanorod electrodes using the SILAR were fabricated. Major parmeters are the concentration of the solution and the solvent impregnated in front of the parameter increased the number and the size of the compound was increased. CdS nanoparticles diameter 6nm(5cycle), 12 ~ 18nm (20cycle), was confirmed by TEM. 10 ~ 14nm in diameter on the other hand, the same 5cycle CdSe nanoparticle was confirmed. It was easier because the alcohol solvent interfacial energy is low and the particle formation. The evaluation for TiO₂ NTs electrode and single nanorod electrod system is conducted by measuring the photocurrent density and IPCE photoconversion efficiency and quantum efficiency was calculated by converting the measurement data. When compare anything that had not been treated TiO₂, is higher than the value of TiO₂ NTs TiO₂ NRs. Sensitized TiO₂ surface area, but value of the tube was higher. QDs was confirmed by the visible light characteristic changing in IPCE(%). Bare TiO₂ was measured with an efficiency up to around 400nm and efficiency up to 700nm from the co- sensitized TiO₂ electrode was measured. Efficiency was overall increased in the short-wavelength, Optical conversion efficiency and quantum efficiency is similar to IPEC data tendency. *3rd year: CuO nanosheet electrode fabrication process for the p-type photocathode were obtained. The main parameter is the same as the TiO₂ NR process, Thickness is formed with increasing the reaction temperature and time increased. Polycrystalline patterns were identified in the electron diffraction pattern. The film CZTS (CuZnSnS) was fabricated by SILAR method. Evaluation of single electrod system using CuO electrod was carried out in the same mathode as TiO₂ electrode. Photocorrosion of CuO in the Na₂S electrolyte that was used to measure the photocurrent of the TiO₂ electrode was confirmed. The CuO was tested using several different electrolytes (Na₂SO₄, NaOH, KOH) to solve this problem. When we used for KOH, CuO is stable from photocorrosion. A difference in the evaluation different type of extrinsic semiconductor single electrode potential, the photocurrent measured positive potential in the n-type and p-type negative potential photocurrent could get. The evaluation of the dual-electrode system was performed by measuring the amount of hydrogen in the system consisting of CdSe/CdS/TiO₂NT-Pt, CdSe/CdS/TiO₂NR-Pt. NR-Ptsystem was created of hydrogen 1550μmol/cm² for 1hr under white light. Generated from anode to increase of the majority carrier exchange CuO instead of the Pt electrode the total net photocurrent density will be increased. It is expected to be increased by more than the maximum amount of hydrogen 2000μmol/cm².
Contribution
Highly efficient nano-structured composite semiconductors as well as subsequent electrode systems for commercial hydrogen production will be developed based on experience and knowledge by this research. Results in this study will be functioning as a knowledge base for other related technologies such as purification of ecology, hydrogen sensing, solar cells, and hydrogen storage and finally contributing to strengthening the competition in the industry fields.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 18
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 80
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 81
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 84
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 85
• 8. 참고문헌 ... 86
• 9. 연구성과 ... 87
• 10. 기타사항 ... 94