V2O5/TiO2 이종 접합 구조를 적용한 탄소 섬유 광 양극 개발
Development of Photoanodes with the Architecture of V2O5/TiO2Heterojunction on Carbon Textiles
- 주제(키워드) V2O5 , TiO2 , Sputtering , Photoelectrochemical
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 이인환
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위구분 석사
- 학과 대학원 신소재공학과
- 원문페이지 52 p
- UCI I804:11009-000000257541
- DOI 10.23186/korea.000000257541.11009.0001252
- 본문언어 한국어
초록/요약
The technology to obtain hydrogen through decompotion of water is the most ideal and ultimate way in the use of infinite resources such as sun-light and water. The water decomposition technology is largely used as a photovolatic and a photoelectrochemical method. The light is irradiated to a photoelectrode and form electron-hole pairs. At this time, the Oxygen Evolution Reaction(OER) occurs, in which the hole generates oxygen on the surface of the semiconductor, and the Hydrogen Evolution Reaction(HER) occurs where the electron moves through the external circuit and generates hydrogen from the relative electrode. In order to overcome low conversion of Solar to Hydrogen(STH) efficiencty, semiconductor materials grow into nanotube or nanorods to increase STH by utilizing a wide surface area. In this study, the production of a photoelectrochemical cell with a V2O5/TiO2 heterojunction structure, manufactured by the sputtering method, introduced carbon fibers to expand the surface area without changing the growth method of semiconductor materials. The photocurrent density, which is about 3.3 times higher than the existing flat photoelectrochemical cell structure, and the actual amount of hydrogen increased 2.5 times. Thus, this study suggested the possibility of utilization as a multi-layered cells.
more초록/요약
물의 광분해를 통해 수소를 얻고 이를 활용하는 기술은 태양과 물이라는 무한한 자원을 사용하는 부분에서 가장 이상적이고 궁극적인 기술이라고 할 수 있다. 이러한 물 분해 기술은 크게 광화학적, 광전기화학적 방법으로 이용하는데, 본 연구에서는 광전기화학적 방법을 통해 광전극으로 빛이 조사되게 하여 밴드갭 이상의 광자가 흡수하는 방식을 통해 전자-정공 쌍을 형성하게 한다. 이 때, 발생한 정공이 반도체 표면에서 산소를 발생시키는 Oxygen Evolution Reaction(OER) 반응이 일어나며, 전자는 외부회로를 통해 이동하여 상대전극에서 수소를 발생시키는 Hydrogen Evolution Reaction(HER) 반응이 일어난다. 현재 수소 생산을 위한 Solar to Hydrogen(STH) 전환 효율이 너무 낮아 경제적이지 못한 단점을 극복하기 위해 반도체 물질에 대하여 nanotube 또는 nanorod로 성장하여 넓은 표면적을 활용하여 STH 전환 효율을 높이는 방식을 이용하고 있다. 본 연구에서는 스퍼터링법으로 제작한 V2O5/TiO2 이종 접합 구조의 광전기 화학셀 제작을 탄소 섬유를 이용하여 반도체 재료의 성장방식을 바꾸지 않으면서 표면적을 넓히기 위한 방식을 도입하였다. 먼저, 기존 평탄형 광전기화학셀 구조 대비 약 3.3배 향상된 광전류밀도를 확인할 수 있었으며 실제 수소 발생량에 대해서는 2.5배 증가하였다. 이로써, 다층 구조의 광소자로써 활용 가능성을 제시하였다.
more목차
Abstract i
국문 초록 iii
목차 v
그림 목차 vi
1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 3
2. 이론적 배경 4
2.1 Pulsed-DC 플라즈마 스퍼터링 공정 4
2.1.1 플라즈마 스퍼터링법 4
2.1.2 Pulsed-DC 플라즈마 전원 5
2.2 광전기화학 박막 재료 6
2.2.1 V2O5 박막 특성 6
2.2.2 TiO2 박막 특성 7
2.3 광전기화학 물 분해 8
2.3.1 물 분해 원리 8
3. 실험 방법 10
3.1 V2O5/TiO2 박막의 성장 10
3.1.1 V2O5 및 TiO2 스퍼터링 성장 10
3.2 광전극 제작 11
3.3 PEC cell의 물 분해 측정 및 평가 14
3.3.1 특성 평가 장비 14
3.3.2 수소 발생 측정 15
4. 실험 결과 16
4.1 광 전극의 구조 및 분석 16
4.1.1 V2O5 박막 분석 16
4.1.2 V2O5/TiO2 광전기화학셀 구조적 분석 18
4.1.3 V2O5/TiO2 광전기화학셀 전기화학적 분석 20
5. 결론 35
참고문헌 37
