이 연구에서 우리는 TiO2의 광촉매 특성을 향상시키기 위해 열간 압착 공정을 사용했습니다. /Fe2 O3 물 분해를 위한 산소 발생 반응에서 광촉매를 위한 광자 흡수를 증가시키기 위해 표면에 주기적 패턴 구조를 갖는 바이메탈 산화물. 열간 압착된 샘플은 두 개의 금속 산화물을 결합하면 서로 다른 파장에서 전극의 흡수 밴드 가장자리가 향상됨을 보여줍니다. 열간 압착 공정을 사용하여 얻은 패턴 구조는 광자 흡수를 성공적으로 개선하여 평평한 표면 전극에 비해 2배 향상되었습니다.
물을 분해하여 산소를 생성하는 광촉매 분해는 광 에너지 변환 시스템으로 널리 연구되고 있습니다[1,2,3,4]. 서로 다른 파장의 광자가 반도체 광촉매에 조사되면 그 에너지가 원자가 밴드 전자를 휘저어 전도대로 점프하게 합니다. 가전자대에 광이 생성된 정공이 형성되고 전도대에 있는 여기된 전자가 물 분자와 환원 반응을 일으켜 이른바 HER(수소 발생 반응)을 통해 수소를 생성한다[5]. 이 구멍은 이른바 산소 발생 반응(OER)을 통해 산소 생산을 지배합니다[6]. 반도체 광촉매 물질의 전도대 가장자리는 H + 이상이어야 합니다. /H2 감소 에너지 수준. 광촉매의 광전자는 물을 수소로 환원시킬 수 있습니다. 그러나 물 분해 반응의 산화-환원 전위차가 1.23 eV이므로 광촉매의 가전자대 에너지 준위는 O2의 산화 에너지 준위보다 낮아야 합니다. /H2 O는 물을 산소로 산화시킵니다.
이러한 목표를 달성하기 위해서는 필요한 에너지의 조정과 태양복사 스펙트럼의 조정이 중요하다[1]. 대부분의 이전 연구에서는 Pt 및 Au와 같은 귀금속을 촉매로 사용했습니다[2, 5,6,7]. 그러나 이들은 비싸고 희소하므로 대체 촉매 물질을 찾기 위한 연구가 수행되었습니다. 이와 관련하여 대표적인 반도체 금속 산화물이 많은 주목을 받고 있다. 이산화티타늄(TiO2)과 같은 풍부한 금속 산화물 ) [8, 9], WO3 [10, 11], BiVO4 [12, 13], CuO2 [14, 15] 및 산화철(Fe2 O3 ) [16, 17] n형 또는 p형 반도체 특성과 에너지 갭 매칭을 통해 광자 흡수를 향상시킵니다. 따라서 넓은 파장 범위에서 높은 광촉매 효율을 보입니다. 특정 파장의 광자 에너지는 전자-정공 쌍을 분리하여 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 것을 더욱 촉진할 수 있습니다. TiO2 [18,19,20,21] 및 Fe2 O3 [22, 23] 간단한 준비, 높은 화학적 안정성, 저렴한 비용, 무독성 및 내식성과 같은 이점을 제공하기 때문에 광촉매에 일반적으로 사용됩니다. 또한 TiO2의 에너지 갭 (3.2 eV)는 Fe2의 에너지 격차(2.2 eV)와 잘 일치함을 보여줍니다. O3 [24, 25], 그림 1a와 같이. 이러한 특성으로 인해 이 두 금속 산화물을 결합하여 형성된 바이메탈 반도체가 밴드 갭의 30% 이상을 효과적으로 흡수할 수 있습니다. 햇빛[26]은 전극의 광촉매 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
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아 TiO2의 물 분해 반응 메커니즘 /Fe2 O3 바이메탈 반도체 시스템. ㄴ 열간 프레스 공정을 이용한 패턴 제작
전극 표면의 치수 구조는 또한 광전기화학적 특성에 영향을 미칩니다. 특히 주기적인 미세구조는 광학 분야에서 많은 관심을 불러일으켰다. Yablonovitch와 John은 1987년에 이 개념을 설명했습니다[27]. 그들은 에너지 소비와 낭비를 줄이기 위해 광자를 포착할 수 있는 매체를 설계하는 것을 목표로 했습니다. 수년간의 연구를 통해 그들은 표면에 특정한 주기 구조를 가진 매질이 필요한 광학적 특성을 얻기 위해 물질의 고유한 화학적 특성을 변화시키지 않고 광자를 효과적으로 포획한다는 것을 발견했습니다[28, 29]. 지금까지 태양 에너지에 대한 많은 연구는 광자 에너지 흡수를 증가시키기 위해 주기적인 구조를 갖는 물질을 선택했다[30]. 또한, 주기적인 미세 구조는 전극 표면의 반응 면적을 크게 증가시키기 때문에 얻은 전류 응답도 크게 향상됩니다.
본 연구에서는 그림 1b와 같이 광양극 표면에 열간 프레스 공정을 이용하여 간단한 패턴을 제작하고 에칭 방법을 사용하여 주기적 표면 구조를 갖는 원본 기판을 형성하였다. 원래 기판은 폴리머에 의해 재성형되어 새로운 스탬프 기판 역할을 한 다음 TiO2의 준비된 레이어와 함께 몰드로 사용됩니다. /Fe2 O3 조촉매. 마지막으로 열간 프레스 공정을 거쳐 주기적인 미세조직을 얻을 수 있습니다. 이 공정은 조촉매 물질 내부의 향상된 계면 접촉을 통해 캐리어 전달 속도를 향상시키고 표면 패턴에서 추가적인 광 포획 및 산란을 통해 광 흡수 효율을 향상시킵니다.
FeCl2 및 FeCl3 탈이온수에 녹이고 교반하여 용액을 만들고 빠르게 수산화나트륨 용액에 붓고 마지막으로 80°C에서 30분 동안 교반합니다. 용액을 충분히 혼합한 후 생성물이 침전될 때까지 30분 동안 방치하였다. 상층 용액을 제거하였다; 침전물을 아세톤, 에탄올 및 탈이온수로 세척하고; Fe3를 얻기 위해 12시간 동안 120°C에서 건조했습니다. O4 (검은 가루). 이 분말을 알코올에 녹이고 30분 동안 격렬하게 교반하여 적갈색 Fe2를 얻었다. O3 서스펜션 솔루션. 마지막으로, 침전된 Fe2 O3 석영 보트에 넣고 450°C의 소결로에 3시간 동안 넣은 다음 자연적으로 실온으로 냉각하여 Fe2를 얻습니다. O3 적철광 상이 있는 분말. TiO2 n-프로판올에 테트라에틸 티탄산을 첨가하여 전구체 용액을 제조한 후 황산을 첨가하고 실온에서 교반하여 전구체 용액을 얻었고, 이를 2시간 동안 25°C에서 방치하여 반투명 겔을 형성하고, 50°C의 오븐에 넣고 재가열하고 실온으로 자연 냉각합니다.
마지막으로 7wt% 폴리비닐알코올(PVA)을 준비하고 1mL의 탈이온수를 추가한 다음 120°C의 핫 플레이트에 30분 동안 둡니다. 그런 다음 PVA를 교반하여 탈이온수에 효과적으로 용해시켜 용액 A를 얻었습니다. 20mg의 Fe2를 준비했습니다. O3 분말 및 98 µL의 TiO2 용액을 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 1mL에 녹여 초음파 발진기에 넣고 30분간 흔들어 고정액을 얻고 초음파 발진기에 30분간 넣어 최종 반도체를 얻는다. 바이메탈 산화물 콜로이드 용액.
우리는 소프트 스탬프용 실리콘 웨이퍼를 제작하기 위해 임프린트 리소그래피 공정을 사용했습니다[31,32,33]. 또한 소프트 스탬프를 준비하기 위해 먼저 아세톤, 에탄올, 물을 사용하여 20분 에칭 공정 후 실리콘 웨이퍼를 진동시켜 기판을 청소한 다음 40°C의 가열판에 올려 건조했습니다. 동시에, 에폭시 수지는 활성화된 다음 건조될 때까지 원래 기판 표면에 평평하게 놓였습니다. 건조 후, 필요한 소프트 스탬프를 얻기 위해 원래 기판에서 에폭시 수지를 떼어냈습니다. TiO2에 반도체 바이메탈 산화물 콜로이드 용액 100μL를 적용했습니다. 콜로이드 용액이 젤리와 같은 상태가 될 때까지 1시간 동안 실온에서 유지한 후 15분간 열간 압착 공정을 수행했습니다. 마지막으로 패턴화된 광양극을 아르곤 분위기에서 500°C의 소결로에 넣어 주기적인 구조의 패턴화된 광양극을 얻었다. 광양극의 OER 성능은 3전극 연결 방법을 사용하여 조사하였다. 이 시스템에는 전해질로 1M KOH에 작업 전극, 상대 전극(탄소 막대), 기준 전극(Ag/AgCl)이 포함되어 있습니다.
표면 패턴 구조는 그림 2와 같이 확인되었다. 그림 2a는 마더 몰드 기판인 실리콘 웨이퍼의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여준다. 표면에는 주기적으로 배열된 원형 구멍이 있으며 각각은 2μm의 긴 구멍을 가지고 있습니다. 그림 2b는 에폭시 수지 표면에 해당하는 역 패턴의 이미지를 보여줍니다. 에폭시 수지는 Si 기판의 원래 패턴에서 전체 구조를 성공적으로 복제했으며, 이에 따라 직경 2μm의 주기적으로 배열된 원통형 구조를 보여주었습니다. 마지막으로, 우리는 핫 프레싱 공정을 통해 해당 패턴화된 주기적 구조가 전극 표면으로 전달되는지 여부를 조사했습니다. 그림 2c는 패턴화된 TiO2를 보여줍니다. /Fe2 O3 가시광선 조사 전후의 광양극. 이 그림은 조명이 없을 때 전극 표면이 검게 보이는 것을 보여줍니다. 그러나 가시광선 조사 시 눈에 띄는 무지개색을 나타내어 주기적인 패턴 구조에서 입사광이 상당히 많이 포획되고 굴절됨을 시사한다. 그림 2d, e는 패턴화된 TiO2 표면의 SEM 이미지를 나타냅니다. /Fe2 O3 다른 배율과 각도에서 광양극. 광전극 표면은 실리콘 웨이퍼 마더보드와 유사한 주기를 나타냈다. 기공 크기는 약 2µm로 전극 표면에 주기적으로 패턴화된 미세 구조를 성공적으로 각인했음을 확인했습니다. 마지막으로 그림 2f는 집속 이온 빔(FIB)을 사용하여 전극 표면을 절단하여 생성된 단면 이미지를 나타냅니다. 단면 이미지는 구멍 깊이가 0.642μm인 이 주기적인 패턴 구조의 원형 구멍 모양도 보여줍니다. 또한 양극 산화 알루미늄을 스탬프로 성공적으로 사용하여 더 작은 패턴을 제작했으며 SEM 이미지는 추가 파일 1:그림 S1에서 찾을 수 있습니다.
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아 에칭 방법을 사용하여 제조된 실리콘 웨이퍼의 SEM 이미지. ㄴ 역기둥 구조의 실리콘 웨이퍼를 사용하여 만든 소프트 스탬프입니다. ㄷ 빛을 조사하거나 조사하지 않고 촬영한 사진. d –이 다양한 배율과 각도에서 SEM 이미지. 에 TiO2 전극 표면의 단면 이미지 /Fe2 O3 주문형 패턴 광양극
제안된 TiO2 특성화 /Fe2 O3 패턴 광양극, 우리는 FIB 투과 전자 현미경(TEM) 분석을 수행했습니다. 그림 3a는 TiO2의 원소 분포 분석(EDS mapping) 결과를 나타냅니다. /Fe2 O3 패턴 광양극. Fe, Ti 및 O는 전극에 균일하게 분포되어 있으며 C 신호는 PVA 및 NMP 바인더에서 발생했습니다. 그러나 이것은 기본 재료, 즉 TiO2의 분포에 영향을 미치지 않았습니다. 및 Fe2 O3 . 그림 3b는 다양한 배율에서 얻은 STEM 이미지를 보여줍니다. TiO2 및 Fe2 O3 분말은 입상 형태를 나타내었다. 그림 3c와 같이 Fe2의 격자 매개변수는 O3 및 TiO2 분석을 통해 각각 0.28 및 0.31 nm로 결정되었으며, 이는 핫 프레스 공정이 Fe2에서 격자 왜곡을 생성했음을 나타냅니다. O3 및 TiO2 .
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TiO2의 FIB-TEM 이미지 /Fe2 O3 - a가 있는 정렬된 패턴 광양극 C, O, Ti 및 Fe의 EDS 매핑. ㄴ 다른 배율의 STEM 이미지. ㄷ Fe2 분석 O3 및 TiO2 격자
또한, 우리는 원소의 화학적 상태를 결정하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 수행했습니다. 그림 4는 광양극의 6개 요소에 대해 XPS를 사용하여 수행한 미세 스캔 스펙트럼 분석 결과를 나타내며 전체 XPS 조사 스펙트럼은 추가 파일 1:그림 S2에서도 얻을 수 있습니다. 그림 4a에서 C 1s 오비탈은 284.9eV의 결합 에너지에서 C–C 단일 결합과 C–O 단일 결합에 해당하는 신호를 보여줍니다. 그림 4b에서 O 1s 오비탈은 532.5eV의 결합 에너지에서 C=O 이중 결합의 신호를 보여 전극 표면에 많은 산화된 탄소가 존재함을 확인하고 결합 에너지에서 산화물로부터의 O의 신호를 보여줍니다. 530eV의 그림 4c에서 N 1s 오비탈은 397.2 및 400eV의 결합 에너지에서 NH 결합의 신호를 보여줍니다. N과 금속 이온의 결합은 N 사이의 결합으로 인해 발생할 수 있으며 소량의 전이 금속 원소도 보입니다. 그림 4d에서 Fe 2p2/3 및 Fe 2p1/3 신호는 각각 711.3 및 724.8 eV의 결합 에너지에서 볼 수 있으며 Fe 2p2/3 및 Fe 2p1/3의 위성 피크는 720 및 731.3의 결합 에너지에서 볼 수 있습니다. eV, 각각; 이들은 전형적인 Fe2입니다. O3 구성 신호. 그림 4e에서 Ti 2p3/2 및 Ti 2p1/2 신호는 각각 457.9 및 464.3eV의 결합 에너지에서 볼 수 있습니다. TiO2에 의해 생성됩니다. . 그림 4f에서 Sn 3d3/2 및 Sn 3d5/2 신호는 각각 285.9 및 495.1eV의 결합 에너지에서 볼 수 있습니다. SnO2에 의해 생성됩니다. 기질.
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TiO2의 XPS 스펙트럼 /Fe2 O3 - a에 대한 패턴화된 광양극 C 1, b O 1, c N 1, d Fe 2p, e Ti 2p 및 f Sn 3d
광양극의 광 흡수에 대한 패턴 구조의 효과를 입증하기 위해 우리는 그림 5a와 같이 열간 압착 공정 전후에 자외선 가시광선 분광법(UV-Vis)을 수행했습니다. TiO2의 조촉매 효과로 인해 및 Fe2 O3 금속 산화물의 경우 광양극은 400~600nm의 넓은 범위에서 광 흡수를 나타냅니다. 광양극은 패터닝 전의 전극과 비교하여 표면의 주기적 패터닝 구조로부터의 향상된 광산란 및 흡수로 인해 추가 광 흡수를 나타냈다. 이 개선 사항은 그림 5b에 표시된 선형 주사 전압전류법(LSV)에도 반영됩니다. TiO2 /Fe2 O3 핫 프레싱 공정을 사용하여 생성된 샘플은 LSV 스캔 동안 가장 높은 반응 전류를 나타냈습니다. 또한 EIS 측정 및 Tafel 기울기는 추가 파일 1에서 찾을 수 있습니다. S3와 S5. 게다가, 우리는 제로 바이어스와 백색광 조사 하에서 광반응 연구를 수행했고, 이 샘플은 TiO2에 비해 2배 개선을 보였습니다. /Fe2 O3 열간압착 공정을 거치지 않은 시료 생산 및 TiO 대비 7배 전류 개선2 그림 5c와 같이. 또한 측정을 위해 파장 532nm의 녹색 레이저와 633nm의 빨간색 레이저를 선택했으며 결과는 추가 파일 1:그림 S4에서 확인할 수 있습니다.
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아 UV-Vis 흡수 스펙트럼. ㄴ LSV 스와이프 스캔. ㄷ 다양한 광양극의 광반응
이 연구에서 우리는 TiO2에 주기적인 패턴을 제작하기 위한 간단한 핫 프레싱 공정을 시연했습니다. /Fe2 O3 조촉매 바이메탈 산화물 광양극. 광양극 표면에 명확한 주기적인 구멍 패턴이 재현되었습니다. TiO2의 광대역 UV-Vis 흡수 스펙트럼 /Fe2 O3 바이메탈 산화물이 얻어졌으며 400~600nm의 넓은 범위에서 광 흡수를 나타냈습니다. 마지막으로 TiO2 /Fe2 O3 패턴이 있는 표면을 가진 조촉매는 표면 구조에서 추가적인 광 흡수 및 산란으로 인해 크게 향상된 광전류를 나타냅니다.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사[및 지원 정보 파일]에 포함되어 있습니다.
산소 발생 반응
수소 발생 반응
폴리비닐알코올
N-메틸-2-피롤리돈
주사 전자 현미경
집중 이온빔
투과 전자 현미경
에너지 분산 분광법
주사 투과 전자 현미경
X선 광전자 분광법
자외선 가시 분광법
선형 주사 전압전류법
나노물질
2020년 9월 Thomas는 Thomasnet.com 플랫폼의 태양 에너지 장비 소싱이 전년 대비 125%, 2분기 평균보다 171% 증가했다고 보고했습니다. 플랫폼에서 관련 카테고리 검색에서 태양열 집열기 패널은 2020년 3분기에 전년 대비 157%, 2020년 2분기에 비해 11% 증가했으며 Thomasnet.com 플랫폼에서 인버터에 대한 검색은 전년 대비 172% 증가했습니다. 2020년 4분기 평균보다 현재 88% 증가했습니다. 보다 최근에는 Thomasnet.com 플랫폼에서 태양 에너지 장비에 대한 검색이 주당 6
2월 5일에 발표되었습니다. GE Research, GE Renewable Energy(파리 프랑스) 및 LM Wind Power(덴마크 콜딩) GE Renewable Energy 사업부는 최근 미국 에너지부(DOE)에서 3D 프린팅 풍력 터빈의 설계 및 제조 연구에 선정되었습니다. 블레이드. GE 사업부는 Oak Ridge National Laboratory(ORNL, Knoxville, Tenn., US) 및 DOE의 National Renewable Energy Lab(NREL)과 협력하여 통합 적층 제조( AM) 대형 로터
