스테인리스 스틸 메쉬 기반 MoS2/TiO2 이종접합 광양극의 개발 및 가시광 PEC 수소 발생 특성 연구 = A study on MoS2/TiO2 Heterojunction Photoanodes on Stainless Steel Mesh for Photoelectrochemical Hydrogen Evolution

국문 초록 (Abstract)

광전기화학(photoelectrochemical, PEC) 물 분해는 지속 가능한 수소 생산을 위한 유망한 기술로 주목받고 있으나, 가시광선 영역에서의 높은 광활성을 확보하는 데에는 여전히 한계가 존재한다. 이산화티타늄(TiO₂)은 우수한 화학적 안정성과 낮은 비용으로 인해 가장 널리 연구된 광양극 물질 중 하나이지만, 넓은 밴드갭 특성으로 인해 주로 자외선 영역에서만 광흡수가 가능하다는 제한점을 가진다.
본 연구에서는 가시광선 응답성을 향상시키기 위해 몰리브덴 디설파이드(MoS₂)를 TiO₂와 결합한 이종접합 광양극을 다공성 스테인리스 스틸 메쉬(stainless steel mesh, SSM) 기판 위에 구현하였다. SSM 기판은 높은 전기전도도와 3차원 다공성 구조를 제공하여 광생성 전하의 효율적인 집전 및 전극–전해질 계면에서의 전하 전달을 촉진한다. MoS₂/TiO₂ 이종접합 광양극은 스퍼터링 증착과 수열 합성 공정을 결합하여 제작하였으며, 이를 통해 두 반도체 간의 밀접한 계면 접촉을 확보하였다. 구조적 및 광학적 분석 결과, 이종접합 구조가 성공적으로 형성되었으며 가시광선 영역에서의 광흡수 특성이 향상됨을 확인하였다.
제작된 광양극의 광전기화학적 성능은 선형 주사 전압법(linear sweep voltammetry), 크로노암페로메트리 (chronoamperometry), 인가 바이어스 광자-전류 변환 효율 (applied-bias photon-to-current efficiency, ABPE), 그리고 전기화학적 임피던스 분광법 (electrochemical impedance spectroscopy)을 통해 체계적으로 평가하였다. MoS₂/TiO₂/SSM 광양극은 0.91 VRHE에서 102.21 μA cm⁻²의 광전류 밀도를 나타내어 TiO₂/SSM 광양극 대비 향상된 성능을 보였다. 또한 ABPE의 유의미한 증가와 전하 전달 저항의 감소가 관찰되었으며, 이는 이종접합 구조에 의해 전하 분리 및 계면 전하 수송 특성이 개선되었음을 의미한다. 수소 발생 실험을 통해서도 MoS₂/TiO₂/SSM 광양극의 향상된 PEC 수소 생산 성능이 확인되었다.
이러한 결과는 MoS₂와 TiO₂의 이종접합 구조와 전도성이 우수한 다공성 SSM 기판의 결합이 가시광선 구동 PEC 수소 생산 성능을 향상시키는 효과적인 전략임을 보여준다. 본 연구는 이종접합 공학과 전극 구조 설계의 중요성을 제시하며, 태양광 기반 수소 생산을 위한 고성능 광양극 개발에 유용한 설계 지침을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photoelectrochemical (PEC) water splitting has emerged as a promising approach for sustainable hydrogen production; however, achieving efficient visible-light-driven photoactivity remains a critical challenge. Titanium dioxide (TiO₂) is one of the most extensively studied photoanode materials owing to its excellent chemical stability and low cost, yet its wide bandgap limits light absorption primarily to the ultraviolet region, resulting in restricted solar energy utilization.
In this study, a visible-light-active heterojunction photoanode was designed by integrating MoS2 (molybdenum disulfide) with TiO₂ (titanium dioxide) on a porous stainless steel mesh (SSM) substrate. The SSM substrate provides high electrical conductivity and a three-dimensional porous architecture, which facilitates efficient charge collection and interfacial charge transfer. The MoS₂/TiO₂ heterojunction photoanode was fabricated through a combination of sputtering deposition and hydrothermal synthesis, enabling intimate interfacial contact between the two semiconductors. Structural and optical characterizations confirmed the successful formation of the heterojunction and enhanced visible-light absorption.
The PEC performance of the fabricated photoanodes was systematically evaluated using linear sweep voltammetry, chronoamperometry, applied-bias photon-to-current efficiency, and electrochemical impedance spectroscopy. The MoS₂/TiO₂/SSM photoanode exhibited an enhanced photocurrent density of 102.21 μA cm⁻² at 0.91 VRHE, representing a noticeable improvement compared to the TiO₂/SSM photoanode. In addition, a significant enhancement in applied-bias photon-to-current efficiency and a reduced charge transfer resistance were observed, indicating improved charge separation and interfacial charge transport induced by the heterojunction structure. Hydrogen evolution measurements further confirmed the improved PEC performance of the MoS₂/TiO₂/SSM photoanode.
These results demonstrate that the synergistic combination of MoS₂ and TiO₂, together with the conductive and porous SSM substrate, is an effective strategy for enhancing visible-light-driven PEC hydrogen production. This study highlights the importance of heterojunction engineering and electrode structural design in improving PEC performance and provides valuable insight for the development of advanced photoanodes for solar-driven hydrogen evolution.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Motivation 1
• 1.2. Overview of Photoelectrochemical Hydrogen Production 3
• 1.3. limitations of Previous Studies 7
• 1.4. Objectives and Scope of This Study 9
• 1.5. Organization of the Thesis 11
• Chapter 2. Experimental Details 12
• 2.1. Fabrication of MoS2/TiO2/Stainless Steel Mesh 12
• 2.2. Characterization of MoS2/TiO2/Stainless Steel Mesh 13
• 2.3. Photoelectrochemical (PEC) Cell Measurements 15
• 2.4. Photocatalytic hydrogen generation measurements 16
• 2.5. PEC hydrogen generation measurements 17
• Chapter 3. Results and Discussion 18
• 3.1 Fabrication of MoS2/TiO2/SSM electrode 18
• 3.2 Characteristics of MoS2/TiO2/SSM electrode 26
• 3.3 Photoelectrochemical (PEC) performance 44
• 3.4 Summary 67
• Chapter 4. Conclusions 70
• References 72
• Abstract (Korean) 79