물 분해

물 분해

물 분해

물 분할 기술은 화학 반응을 사용하여 물(H2O)을 산소와 수소로 분리하는 과정을 특징으로 합니다. 효과적인 물 분할은 전해질, 광합성, 광전기화학, 광촉매, 방사성 용해, 광생물학 및 열분해를 비롯한 다양한 기법을 사용하여 수행할 수 있습니다. 최근의 성과가 낮은 반응 온도에서 물 분할을 위한 나노입자 및 박막 촉매의 사용에 중점을 둔 바 고도의 컨퍼멀 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)은 셀 효율을 최적화하는 데 매우 중요한 것으로 입증되었습니다. 경제적이고 효율적인 물 분할은 대체 에너지원으로서 수소 생성을 위한 중요한 요소입니다. 이 분야의 연구는 수소 경제로의 전환 가능성을 조사하고 테스트합니다.

물의 광산화

원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 기술을 사용하여 웨이퍼 분할 응용 작업을 위한 높은 표면적 구조를 생성할 수 있습니다. 물 광산화(물 분할)를 위해 고표면적 전도 및 투명 프레임워크의 제조가 개발되었습니다.

Savannah® S200을 사용하는 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 필름을 역 오팔 구조물에서 ITO(in.Tin. Oxide) 및 Fe2O3에 대한 노출 모드 기술을 사용하여 증착하여, 높은 표면적 나노구조를 생성하였습니다.

물 분할에 대한 ALD 이점

  • 3D 나노구조에 대한 탁월한 컨퍼멀 특성
  • 고품질 pinhole-free films
  • 나노라미네이트 및 도핑된 필름 사용 가능
  • TCO, 산화철, 절연체를 포함한 광범위한 기능성 물질

 


물의 광산화를 위한 높은 특정 표면적 투명 및 전도 프레임워크. 산화철 Fe2O3, ITO(in.Tin. Oxide) 및 SiO2는 역 스캐폴드 구조에서 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)에 의해 증착됩니다. 참조: Riha, S. C, 외. Acs Appl Mater Inter 5, 360–367 (2013).

필름

  • InCp, TDMASn 및 O3를 이용한 ITO(in.Tin. Oxide)
  • 페로센(Fe2O3), FeCp2 및 O3 사용

결과

  • 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 기술을 이용한 물 분할을 위해 고도로 투명하고 큰 표면적의 나노라미네이트 스택이 생성되었습니다.
  • 물 산화의 시작은 -200 mV 및 1.53 V의 광전류에 의해 시프트된 반면에 가역 수소 전극은 3배가 되었습니다(일정한 광-애노드와 비교했을 때).

 

Fe2O3에서 Ti 치환을 통한 그린라이트 물 산화

Ti 합금은 초박(6nm 두께) 적철석 변환 효율, 특히 녹색 광자에 의해 생성된 홀 수집 효율(500 – 600nm)을 개선하기 위해 사용되었습니다. Savannah® S200은 이 연구에서 TiO2 및 Fe2O3의 막을 증착하는 데 사용되었습니다.

 


Fe2O3의 티타늄 합금은 물의 광전기화학적 산화에 대한 촉매 활용도를 개선하기 위해 사용됩니다. 참조: Kim, D. W. et al. Greenlighting Photoelectrochemical Oxidation of Water by Iron Oxide. ACS Nano 141203161851003 (2014).

결과

  1. 초박 Fe2O3의 Ti 치환은 표면-국소 홀의 수명을 증가시킵니다.
  2. Ti-치환된 필름에서 향상된 광전류 성능이 관찰되었습니다.
  3. 특히 500 – 600 nm 범위에서 흡수된 광자대 전류 효율(APCE)의 개선이 관찰되었습니다.
  4. 광흡수에서 변화는 관찰되지 않았습니다.

 

참고 자료 – Veeco CNT ALD 플랫폼에서 최근 발표된 연구 결과

  1. Dias, P. et al. Transparent Cuprous Oxide Photocathode Enabling a Stacked Tandem Cell for Unbiased Water Splitting. Adv. Energy Mater. n/a–n/a (2015). doi:10.1002/aenm.201501537
  2. Luo, J. et al. Targeting Ideal Dual‐Absorber Tandem Water Splitting Using Perovskite Photovoltaics and CuInxGa1‐xSe2 Photocathodes. Adv. Energy Mater. (2015). doi:10.1002/aenm.201501520
  3. Landsmann, S. et al. Design Guidelines for High-Performance Particle-Based Photoanodes for Water Splitting: Lanthanum Titanium Oxynitride as a Model. ChemSusChem n/a–n/a(2015). doi:10.1002/cssc.201500830
  4. Barreca, D. et al. Fe2O3–TiO2 Nano‐heterostructure Photoanodes for Highly Efficient Solar Water Oxidation. Advanced Materials Interfaces n/a–n/a (2015). doi:10.1002/admi.201500313
  5. Michaux, K. E. et al. Visible Photoelectrochemical Water Splitting Based on a Ru(II) Polypyridyl Chromophore and Iridium Oxide Nanoparticle Catalyst. The Journal of … (2015). doi:10.1021/acs.jpcc.5b05711
  6. Luo, J. et al. Solution Transformation of Cu2O into CuInS2 for Solar Water Splitting. Nano Lett 15, 1395–1402 (2015).
  7. Schoen, D. T., Atre, A. C., García-Etxarri, A., Dionne, J. A. & Brongersma, M. L. Probing Complex Reflection Coefficients in One-Dimensional Surface Plasmon Polariton Waveguides and Cavities Using STEM EELS. Nano Lett 15, 1–8 (2014).
  8. Kim, D. W. et al. Greenlighting Photoelectrochemical Oxidation of Water by Iron Oxide. ACS Nano 141203161851003 (2014). doi:10.1021/nn503869n
  9. Azevedo, J. et al. On the stability enhancement of cuprous oxide water splitting photocathodes by low temperature steam annealing. Energy Environ. Sci. 7,4044–4052 (2014).
  10. Yang, X. et al. Improving Hematite-based Photoelectrochemical Water Splitting with Ultrathin TiO 2by Atomic Layer Deposition. Acs Appl Mater Inter 140804065734002 (2014). doi:10.1021/am500948t
  11. Klahr, B. & Hamann, T. Water Oxidation on Hematite Photoelectrodes: Insight into the Nature of Surface States through In Situ Spectroelectrochemistry. J. Phys. Chem. C 118, 10393–10399 (2014).
  12. Zandi, O., Beardslee, J. A. & Hamann, T. Substrate Dependent Water Splitting with Ultrathin α-Fe 2O 3Electrodes. J. Phys. Chem. C 140501145249004 (2014). doi:10.1021/jp4116657
  13. Tilley, D. S. & Grätzel, M. Ruthenium Oxide Hydrogen Evolution Catalysis on Composite Cuprous Oxide Water-Splitting Photocathodes. Advanced Functional … 1–9 (2014). doi:10.1002/adfm201301106
  14. Yang, X., Du, C., Liu, R., Xie, J. & Wang, D. Balancing photovoltage generation and charge-transfer enhancement for catalyst-decorated photoelectrochemical water splitting: A case study of the hematite/MnOx combination. Journal of Catalysis 304, 86–91 (2013).
  15. Liu, M., Nam, C.-Y., Black, C. T., Kamcev, J. & Zhang, L. Enhancing Water Splitting Activity and Chemical Stability of Zinc Oxide Nanowire Photoanodes with Ultrathin Titania Shells. J. Phys. Chem. C 130610143036005 (2013). doi:10.1021/jp404032p
  16. Riha, S. C. et al. Atomic Layer Deposition of a Sub-Monolayer Catalyst for the Enhanced Photoelectrochemical Performance of Water Oxidation with Hematite. ACS Nano 130212010712000 (2013). doi:10.1021/nn305639z
  17. Riha, S. C., DeVries Vermeer, M. J., Pellin, M. J., Hupp, J. T. & Martinson, A. B. F. Hematite-based Photo-oxidation of Water Using Transparent Distributed Current Collectors. Acs Appl Mater Inter 5, 360–367 (2013).
  18. Klug, J. A. et al. Low temperature atomic layer deposition of highly photoactive hematite using iron(iii) chloride and water. J. Mater. Chem. A 1,11607 (2013).
  19. Maijenburg, A. W. et al. Electrochemical synthesis of coaxial TiO2-Ag nanowires and their application in photocatalytic water splitting. J. Mater. Chem. A(2013). doi:10.1039/c3ta14551d
  20. Klahr, B., Gimenez, S., Fabregat-Santiago, F., Bisquert, J. & Hamann, T. W. Photoelectrochemical and Impedance Spectroscopic Investigation of Water Oxidation with ‘Co–Pi’-Coated Hematite Electrodes. J Am Chem Soc 134,16693–16700 (2012).
  21. Paracchino, A. et al. Ultrathin films on copper(I) oxide water splitting photocathodes: a study on performance and stability. Energy & Environmental Science 5, 8673–8681 (2012).
  22. Klahr, B., Gimenez, S., Fabregat-Santiago, F., Bisquert, J. & Hamann, T. W. Electrochemical and photoelectrochemical investigation of water oxidation with hematite electrodes. Energy & Environmental Science 5, 7626–7636 (2012).
  23. Klahr, B. M., Martinson, A. B. F. & Hamann, T. W. Photoelectrochemical Investigation of Ultrathin Film Iron Oxide Solar Cells Prepared by Atomic Layer Deposition. Langmuir 27, 461–468 (2011).
  24. Liu, R. et al. Water Splitting by Tungsten Oxide Prepared by Atomic Layer Deposition and Decorated with an Oxygen-Evolving Catalyst. Angew. Chem. Int Ed 50,499–502 (2010).