WO3/BiVO4 이종접합 구조 및 NiCo계 수산화물을 이용한 3원계 광양극 제조 및 응용

국문 초록 (Abstract)

외부의 전력을 활용하지 않고 그린 수소를 생산하기 위해 광전기화학셀이 큰 주목을 받고 있다. 하지만 광전기화학셀의 전극을 단일 금속산화물로 제조할 시 전자-정공 쌍이 빠르게 재결합되어 성능이 저하되는 문제를 가지고 있다. 따라서 삼산화 텅스텐(WO3)과 비스무트 바나데이트(BiVO4) 이종접합 구조에 대한 연구가 최근 굉장히 많이 이루어지고 있으며 광양극에 적합한 고성능 광양극의 조합 중 하나로 많은 관심이 이루어지고 있다. 여기에 더해 본 연구는 이종접합 구조의 느린 산화 동역학 속도를 가속화하기 위해 NiCo-LDH 촉매를 활용하여 전하 분리와 전하 전달 수송을 가속화하는 연구를 진행하였다. 수열합성을 통해 WO3 나노플레이트를 FTO glass 기판 위에 합성하였고 스핀 코팅을 통해 BiVO4 나노파티클을 형성하여 이종접합 구조를 제조하였다. 그 다음 다시 수열합성을 통해 온도를 제어하여 NiCo-LDH 나노시트 구조를 합성하였고 온도별 촉매 활성이 광양극의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. X선 회절(XRD), 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR), X선 광전자 분광법(XPS) 분석을 통해 WO3와 BiVO4 이종접합 구조 위에 NiCo-LDH 나노시트가 안정적으로 성장한 것을 확인하였고 선형 주사 전위법(LSV), 임피던스 분석법(EIS)을 통해 광전기화학특성을 평가했다. WO3/BiVO4/NiCo-LDH 3원계 구조 전극들 중 WBN60 전극이 1.23 V에서 가역 수소 전극(RHE) 대비 3.2 mA/cm²의 가장 우수한 광전류밀도를 보였으며 다른 전극들에 비해 가장 낮은 전하 전달 저항을 나타내었다. 이를 통해 WO3/BiVO4 이종접합 구조 전극에 비해 3원계 WO3/BiVO4/NiCo-LDH 전극이 광 생성 캐리어의 전하 분리 및 전하 전달 수송 속도가 향상되었다는 것을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1 수소에너지와 기존 수소 생산의 문제점 3
• 2.2 태양광을 활용한 그린 수소 생산 6
• 2.3 대표적인 광전극 소재 및 구조 8
• 2.3.1 금속산화물 반도체 8
• 2.3.2 이종접합 11
• 2.4 전이금속 기반의 LDH 촉매 15
• Ⅲ. 실험 방법 18
• 3.1 FTO/WO3 전극 제조 18
• 3.1.1 FTO glass 클리닝 18
• 3.1.2 WO3 전극 제조 18
• 3.2 WO3/BiVO4 이종접합 구조 전극 제조 19
• 3.3 WO3/BiVO4/NiCo-LDH 3원계 전극 제조 19
• 3.4 WO3/BiVO4/NiCo-LDH 3원계 전극 특성 분석 21
• 3.4.1 형태학적 특성 분석 21
• 3.4.2 광학적 특성 분석 21
• 3.4.3 전기화학적 특성 분석 21
• Ⅳ. 결과 및 토의 24
• 4.1 광전극의 구조 및 표면 분석 24
• 4.1.1 X-ray Diffraction (XRD) 24
• 4.1.2 Scanning Electron Microscope (SEM) 26
• 4.1.3 Transmission Electron Microscope (TEM) & EDX 29
• 4.1.4 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) 31
• 4.1.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 33
• 4.2 광전극의 광학적 특성 평가 36
• 4.2.1 UV-VIS 36
• 4.2.2 Photoluminescence (PL) 39
• 4.3 광전극 전기화학 성능 평가 41
• 4.3.1 Mott-schottky plot & WO3/BiVO4/NiCo-LDH ternary photoanode mechanism 41
• 4.3.2 Linear Sweep Voltage (LSV) 45
• 4.3.3 Incident-photon-to-electron Conversion Efficiency (IPCE) ·· 49
• 4.3.4 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 51
• 4.3.5 Chopped light linear sweep voltammetry 55
• 4.3.6 Photostability 55
• 4.3.7 Linear Sweep Voltage under dark condition 58
• 4.3.8 Cyclic voltammetry measurements (CV) 60
• Ⅴ. 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 70
• 감사의 글 72