습윤성 유기물을 이용한 안정적인 태양열 물 분해

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4460(2022) 이 기사 인용

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보호층은 Si 기반 광전음극이 장기적인 안정성을 달성하는 데 필수적입니다. TiO2와 같이 일반적으로 사용되는 무기 보호층은 부식성 용액으로부터 Si를 분리하기 위해 핀홀이 없어야 하며, 이는 매우 높은 품질의 증착 기술을 요구합니다. 반면, 유기 소수성 보호층은 전류 밀도와 안정성 사이의 균형 문제를 겪습니다. 본 논문에서는 표면 습윤성을 제어할 수 있는 불연속 하이브리드 유기 보호층의 설계 및 제작에 대해 설명합니다. 밑에 있는 소수성 층은 불연속 기공에서 얇은 가스 층의 형성을 유도하여 전해질을 Si 기판으로부터 분리하는 동시에 Pt 조촉매가 물 분해를 위해 전해질과 접촉할 수 있도록 합니다. 한편, 이 유기층의 표면은 친수성 수산기로 개질되어 기포 분리를 촉진합니다. 최적화된 광전 음극은 붕괴 경향 없이 110시간 이상 동안 35mA/cm2의 안정적인 광전류를 달성합니다.

태양 에너지를 수소와 같은 화학 연료로 전환하는 것은 에너지 및 환경 문제를 완화하는 지속 가능한 방법입니다1. 실리콘(Si)2, 다양한 금속 산화물3 및 III-V 반도체4,5가 광전기화학(PEC) 물 분해에 대해 연구되었습니다. 그중 Si는 저렴한 비용, 적절한 밴드갭 및 밴드 가장자리 위치로 인해 PEC 수소 발생 반응(HER)의 가장 매력적인 후보 중 하나입니다6. 그러나 Si는 수용액7,8,9에서 비활성화되기 쉽습니다. 안정적인 Si 기반 광전 음극을 구성하기 위한 일반적인 전략은 Si 표면에 스퍼터링10 또는 원자층 증착(ALD)11을 통해 조밀한 금속 층 또는 금속 산화물 층을 도입하여 Si를 전해질에서 분리하는 것입니다. 따라서 이 콤팩트한 보호층은 내구성 있고 효율적인 광전 음극을 가능하게 하기 위해 투명하고, 전도성이 있고, 화학적으로 안정해야 합니다. ALD에 의해 형성된 TiO2 필름은 PEC 전극의 보호층으로 광범위하게 사용되었습니다. 그러나 TiO2는 매우 음의 전위19 또는 UV 조명20에서는 불안정해집니다. 한편, 이전 연구에서는 ALD로 성장한 TiO2가 정상적인 실험실 환경에서 기판에 대기 미립자 물질이 존재하기 때문에 엄격한 의미에서 핀홀이 없게 되기 위해 최소 50 nm의 두께가 필요하다는 것을 발견했습니다21,22,23,24, 25. 또한 핀홀에 해당하는 공식 부식도 입증되었습니다. 따라서 핀홀이 없는 층을 요구하는 전통적인 분리 전략은 재료 선택 및 증착 방법에 제한을 부과합니다. 따라서 보호층의 핀홀에 대해 허용 가능한 허용 오차로 Si-액체 접촉을 감소시킬 수 있는 전략27을 개발할 필요가 있습니다.

치밀한 보호층이 있는 전해질로부터 Si 기판을 분리하는 것 외에도 Si의 소수성을 증가시켜 표면 근처의 액체 이동을 지연시켜 Si-액체 접촉을 줄이는 것도 가능하며, 이는 부식 속도를 감소시킬 수 있습니다. . 그러나 Si-액체 접촉이 감소하면 물 분해 반응의 활성 영역도 감소합니다. 더욱이, 이전 연구에서는 대부분의 소수성 층이 전도성이 좋지 않은 반면 소수성 전극은 습윤성 전극보다 크게 낮은 HER 활성을 나타냄을 관찰했습니다. 소수성 전극의 열악한 성능은 HER35,36,37 동안 다량의 가스가 표면에 큰 기포로 성장하여 HER의 활성 부위를 덮음으로 인해 전류 강하가 발생한다는 사실에 기인할 수 있습니다. 촉매38. 따라서 효율적인 표면 반응을 달성하기 위해 조촉매 위에 기포가 덮이는 것을 방지하면서 소수성 층을 보호 층으로 사용하는 것이 매우 바람직하지만 여전히 어려운 일입니다.