나노로드와 같은 구조를 갖는 물 분해를위한 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극 개발

도쿄 대학교, 미야자키 대학교, 미야자키 대학교 (Miyazaki University) 및 신슈 대학교 (Shinshu University) 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (바카라 커뮤니티) (ARPCHEM)와 공동으로 시행되는 신슈 대학교 (Shinshu University)는 높은 효율성으로 물을 제거하고 산소를 생성 할 수있는 투명한 레드 컬러를 제공하고 있습니다광전자^*1성공적으로 개발되었습니다Nanorod^*2세계 최상위 레벨의 구조와 함께 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극을 사용합니다수소 전환 효율 (STH)^*310%달성

이 성과는 광 스피드 바카라이 나노로드와 유사하고 빨간색으로 투명하다는 사실을 활용하고 있습니다탠덤 세포^*4나노로드와 같은 스피드 바카라륨 질화물의 표면은 철-니켈-코발트 기반 복합 산화물로 만들어집니다Co-Catalyst^*5를 균일하게 변형시킴으로써, 반응 시작 후 7 시간 동안 태양-수소 전환 효율을 10%로 유지시켰다

과도 흡수 분광학 측정^*68596_8704Photo-Excitation Carrier^*7물 분해를 주도하기 위해 고효율로 수집 할 수 있습니다

앞으로,이 연구에서 얻은 과학적 지식에 근거하여, 우리는 분말 광촉매 시트의 태양-수소 전환 효율을 향상시키고, 더 저렴한 수소 생산을 허용하고, 광촉매를 사용하여 수소 생산 기술을 구현하는 것을 목표로한다

광촉매를 사용하여 태양 에너지를 사용하여 물을 분해하여 수소와 산소를 생성 할 수 있습니다 이 방법을 사용하여 생산 된 수소는 태양 광 재생 에너지 인 "녹색 수소"이며 차세대 청정 에너지가 될 것으로 예상됩니다 저렴한 녹색 수소를 생산하기 위해서는 광촉매의 태양-수소 전환 효율 (STH)을 개선하는 것이 어려울 것입니다 전통적으로, 물 분해 광 촉매로 STH10%를 초과하기가 어렵다고 생각되었다

도쿄 대학교, 미야자키 대학교, 미야자키 대학교 (Miyazaki University) 및 신슈 대학교 (Shinshu University) 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (바카라 커뮤니티), 인공 광합성 화학 공정 기술 연구 협회 (ARPCHEM)와 공동으로 구현 된 Tantalum NITITRIDE Photocatsals를 사용하여 수준의 10% STH를 달성했습니다 이것은 산소 생성을위한 적색 투명 광 전극과 수소 생성을위한 Pt/Ni 전극 촉매가 장착 된 2 시리즈 Cuinse₂태양 전지와 결합 된 2 단계 수질 탠덤 세포에 의해 생성 이번에는 태양 화학 에너지를 녹색 수소 생산 기술로 변환하는 과정에서 인공 광합성의 유용성을 보여주었습니다

앞으로,이 연구에서 얻은 과학적 지식을 바탕으로, 우리는 분말 광촉매 시트의 태양 에너지 전환 효율을 향상시키고, 이는 저렴한 비용으로 수소 생산을 허용하고 광촉매를 사용하여 수소 생산 기술을 구현하는 것을 목표로합니다

이 연구의 결과는 2023 년 8 월 15 일 화요일 (동부 표준 시간)에 발표되었습니다고급 에너지 재료"의 온라인 브레이킹 버전에서 출시되었습니다 자세한 내용은 다음 웹 사이트를 참조하십시오
https : //onlinelibrarywileycom/doi/full/101002/aenm202301327

스피드 바카라 룸 질화물 광 촉매는 600 nm의 파장보다 짧은 파장으로 빛을 흡수하고 수소와 산소로 물을 분해 할 수있는 물질로 알려져 있습니다 분말 스피드 바카라 룸 질화물 광촉매를 사용한 광촉매 물 분해에 대한 연구 및 개발은 국내 및 국제적으로 활발히 진행되어왔다 분말 광촉매 이외에, 스피드 바카라 룸 질화물 광 촉매를 사용한 광전질의 발달은 적극적으로 수행되었다

2019 회계 연도에, 우리는 Tantalum 질화물 광 촉매를 사용하여 산소를 생성하기위한 적색 투명 광 스피드 바카라을 개발했습니다 최대 1100 nm 파장의 빛을 흡수 할 수있는 cuinse₂수소 생성을위한 PT/NI 전극 촉매를 태양 전지에 연결하고 산소 생성 광 전극과 결합하여 물 분해를위한 탠덤 세포를 구성하여 55%의 STH를 달성했습니다 그러나, 산소 생성에 대한 스피드 바카라륨 질화물 광 전극으로부터의 광전류 출력은 이론적으로 유도 된 최대 값의 약 50%였으며, 물 분해 반응 동안 짧은 시간에 광전류 값이 절반으로 절반으로 절반으로 절반으로 절반이되었으므로, 산소 생성 광 전극의 전극 성능과 긴 수명을 향상시켰다 따라서, 가로 흡수 구조를 개발할 수있는 광 흡수 운반체 (반응 부위) 가질화물 표면에서 경화성 (반응 부위)을 효율적으로 수송 할 수있는 광 전극 구조를 개발할 필요가 있었고, (2) 틸탈럼의 표면을 균일 한 표면을 균일하게 보호하는 표면 변형 방법

(1)은 적색 투명 산소를 생성하기위한 스피드 바카라륨 질화물 광 전극의 성능을 향상시키기 위해 광습 캐리어의 효과적인 수송을 가능하게하는 나노로드 모양의 광전 전극을 개발했습니다 질화물을 제조하기 위해, 전구체 재료 (주로 스피드 바카라 룸 산화물)가 암모니아 대기 하에서 고온에서 열처리되는 질화물 반응이 사용된다 물 분해 탠덤 세포의 첫 번째 단계에서의 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극 및 2 단계에서 2 개의 시리즈 Cuinse₂태양 전지를 사용하려면 (최대 1100 nm의 빛을 흡수 할 수 있음), 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극은 600 nm의 파장보다 더 긴 파장 측에서 더 높은 광 투과율을 필요로합니다 따라서, 고온에서의 질화 반응 후에도 광학 특성을 변화시키지 않는 내구성이 뛰어난 투명 전도성 기판을 사용하는 것이 필수적이다

이 연구에서, 질화 반응 후에도 저항이 낮고 무색 투명한 질화 질화물 (N- 타입) 코팅 된 사파이어 (GAN/AL₂O₃)는 나노로드 모양의 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극에 대한 투명 전도성 기판으로 사용되었다 이 간/al₂O₃기질에 질화염의 종래의 평평한 필름을 퇴적 한 후글씨 앵글 퇴치 : 기쁜 방법^*8₃n₅11412_11587_x)전해질 지원^*9수용액에 몰입하고 외부 전원에서 적용되는 잠재력Pseudo Solar^*10로 조사 할 때, 물의 산화 반응은 광 스피드 바카라에서 발생하여 산소를 생성합니다 물의 전기 분해 반응에서, 수소를 생성하는 스피드 바카라과 산소를 생성하는 스피드 바카라 사이에 123V의 전압이 적용되어야하지만, 빛의 에너지를 이용함으로써 산소는 123 V 미만의 전압에서 생성 될 수있다

그림 1은 산소 생산을위한 나노로드와 같은 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극의 광전 화학적 특성을 보여줍니다 의사-일광으로 광 전극을 조사하여 06V 대Rhe^*11-2의 광전류 생성되었습니다 이 광전류 값은 스피드 바카라 룸 질화물 광촉매가 모의 햇빛 아래 있다고 가정하여 이론적으로 도출 될 수있는 최대 값의 약 90%였다

(2) : Tantalum 질화물 광 스피드 바카라의 산소 생산 반응의 더 긴 수명을 달성하기 위해 Tantalum Nitridephoto-autooxidation^*12로 인한 cocatalyst의 악화로 인해 필요합니다 또한,이를 물 분해를위한 탠덤 세포의 첫 번째 단계로 사용하기 위해, 도전은 질화물의 스피드 바카라 룸의 광 흡수와 후면 표면으로의 광 흡수를 방해하지 않는 코카탈계 변형 방법을 확립하는 것이다

이 연구에서광전질 측정 방법^*13and딥 코팅 방법^*14, Iron-Nickel-Cobalt 복합 산화물 (Fenicoo_x)로 구성된 산소 생성 코카탈탈은 나노로드-유사 스피드 바카라륨 질화물의 표면에 균일하게 코팅되었고, 표면 절연 필름의 형성을 억제 할 수 있었다 DIP 코팅 방법은 또한 공동 감염증의 악화를 억제 하였다 결과적으로, 산소 생성 반응 동안 나노로드-유사 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극의 내구성은 전보다 약 27 배 이상 향상되어 반응 시작 후 3 시간 이상 분해없이 산소를 생성 할 수있다 또한, 투과 스펙트럼의 결과는 600 nm의 파장의 파장 측면에서 나노로드-모양의 질화물 광 전극의 최대 광 투과율이 80%임을 보여 주었다 Fenicoo_x공동 감염제의 두께는 대략 8 nm이며, 광 흡수 및 광 흡수에 대한 나노로드-유사 스피드 바카라륨 질화물의 효과는 무시할 수 있으므로 탠덤 세포의 첫 번째 단계에서 사용하기위한 이상적인 산소 생성 광 전극이됩니다 실제로, 123V 대 RHE의 일정한 전위에서 생산 된 가스의 양을 정량화 할 때, 그것은 거의 100%인 것으로 밝혀졌다Faraday 효율^*15물 분해 반응을 유발하고 산소를 생성합니다 (그림 1B)

일시적 흡수 분광법을 사용하여 1 피코 초에서 1 마이크로 초에서 1 마이크로 초의 광습 캐리어 농도의 시간 변화를 측정함으로써 나노로드와 같은 스피드 바카라 룸 질화물 광촉매의 고품질이 밝혀졌다 그림 2 (a)는 전형적인 여기 광 밀도에서 측정 결과를 보여줍니다 나노로드-형 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극의 광습 캐리어 농도의 시간 변화는 이전에보고 된 고품질의 질화물 광 전극의 측정 결과와 유사하다는 것이 밝혀졌다 다음으로, 수치 분석 (그림 2 (a)의 고체 블루 라인)는 이러한 광습 캐리어 농도에 대해 수행됩니다재조합 반응 속도 상수^*16전자 농도와 같은 물리적 특성 데이터가 결정되었다 또한, 얻어진 물리적 특성 데이터에 기초하여, 우리는 나노로드 형상 및 캐리어 수송의 광학적 특성을 고려하여 광학 및 전기 특성의 시뮬레이션 분석을 수행하여 전류 곡선 (그림 2 (b) 고체 적색 라인)가 잘 재현 될 수 있음을 나타냅니다 결과적으로 광 흡수 중에 광 스피드 바카라으로부터의 광전류 출력의 이론적 최대 값의 10%가 전자 및 구멍의 재조합으로 인해 16%가 손실되고 나머지 74%는 물 분해 반응에 사용되는 것으로 밝혀졌다

Fenicoo_x수소 생성을위한 PT/NI 전극 촉매로 첫 번째 단계 (전면 표면)에 연결된 Cocatalyst를 사용하여 표면이 변형 된 나노로드와 같은 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극을 갖는 2 개의 시리즈 cuinse₂탠덤 세포는 2 단계 (후면)에 위치한 태양 전지로 제조되었고 외부 전원이없는 물 분해 반응은 시뮬레이션 된 햇빛 아래에서 연구되었습니다 (그림 3) 첫 번째 단계에 설치된 나노로드 모양의 스피드 바카라 룸 질화물 광 전극은 최대 600 nm의 빛을 흡수하여 광습 캐리어를 생성하며, 구멍은 질화물 표면의 fenicoo_x코 캣als로 이동하여 물을 산화시켜 산소를 생성합니다 Tantalum 질화물 광 스피드 바카라의 뒷면에서 투과 된 빛 (600 nm ~ 1100 nm)은 2 단계 2 시리즈 Cuinse₂| 빛을 받고 Photoexcitation 캐리어를 생성합니다 현재 생성 된 전자는 2 개의 시리즈 CUINSE₂에 연결된 PT/NI 전기 촉매를 통해 이동하고 수소를 생성하기 위해 물을 줄입니다 그림 4는 시뮬레이션 된 햇빛이 탠덤 세포로 지속적으로 조사 될 때 시간이 지남에 따라 STH의 변화를 보여줍니다 STH는 조사 직후 12%였다 또한 그 후 약 7 시간 동안 10% 이상을 유지할 수있었습니다

햇빛을 사용한 물의 분해 반응을 통한 수소 및 산소 생산에서,이 탠덤 세포는 외부 전원이없는 광촉매 물질을 사용하여 광전계 시스템의 세계 최고 수준의 성능 인 전환 효율과 내구성을 나타냅니다

이 연구는 NEDO의 "이산화탄소 원료 제조 공정 (인공 광합성 프로젝트)의 기술 개발"(2014-2021)의 일환으로 수행되었습니다 이 프로젝트의 궁극적 인 목표 중 하나는 출시 당시 태양-수소 전환 효율을 높이는 것이며, 이는 실질적인 사용에 대한 지침 인 식물의 광합성 효율 (02-03%)과 유사한 10%와 유사했습니다

이 연구에서 Nanorod-like nitride (ta₃n₅-nr) 우리는 고효율의 광 촉매로 물을 분해 할 수있는 광 스피드 바카라을 생성하는 적색 투명한 산소를 개발했습니다 이는 프로젝트의 궁극적 인 목표, 태양-수소 전환 효율이 10%를 달성했습니다

이 연구에서 얻은 과학적 지식을 바탕으로 Green Innovation Fund 프로젝트의 일환으로, 우리는 태양 에너지 전환 효율을 향상시키고 광촉매를 사용하여 수소 생산 기술을 구현하기 위해 저렴한 비용으로 수소 생산을 허용하는 분말 광촉매 시트를 개발할 것입니다

*1 광 스피드 바카라

물 분해를위한 광촉매가 결합되어 전기 전도성 기판에 고정된다[참조로 돌아 가기]

*2 나노로드

나노 미터 크기의 직경의 막대 모양을 나타냅니다[참조로 돌아 가기]

*3 태양-수소 전환 효율 (STH)

수소 생성에 의해 사고 태양 에너지에 저장된 화학 에너지의 백분율[참조로 돌아 가기]

*4 탠덤 세포

2 단계 구조를 갖는 수 분해 셀, 두 가지 유형의 광전 스피드 바카라을 결합 할 때, 첫 번째 단계에서 비교적 짧은 파장 광을 흡수하고 나머지 긴 파장 광을 흡수하는 셀과 두 번째 단계에서 전송 된 빛을 흡수 할 수있는 셀이 중첩된다[참조로 돌아 가기]

*5 Cocatalyst

광촉매 몸체와 결합 될 때 반응을 촉진하는 물질 여기서, 다음은 광촉매를 빛으로 조사하여 생성 된 구멍을 사용함으로써 물 분해 반응을 촉진하는 물질을 지칭한다 [참조로 돌아 가기]

*6 과도 흡수 분광학 측정

전자, 구멍 등이 여기광 펄스를 사용하여 샘플 내부에서 생성되는 측정 방법, 지연으로 검출광을 조사하고 생성 된 전기 및 구멍의 농도의 시간 변화를 감지하기 위해 감지 된 광도의 시간 변화를 측정합니다[참조로 돌아 가기]

*7 광학 여기 캐리어

광촉매가 빛을 흡수하면 전자와 구멍이 쌍으로 생성됩니다 이 쌍에서 생성 된 전자 및 구멍을 포토 엑스 케이션 캐리어라고합니다[참조로 돌아 가기]

*8 비스듬한 사고 스퍼터링 방법

기판에 필름을 적용하는 한 가지 방법 스퍼터링에서, 불활성 가스는 진공에 도입되고 기판과 필름 재료 사이에 전압이 적용되어 불활성 가스 원자가 이온화, 고속으로 움직이고, 필름 재료와 충돌하며, 필름 재료의 입자를 격퇴시킨다 회전 된 필름 재료 입자는 기판에 부착되어 필름을 형성한다 비스듬한 입사 방법에서, 기판이 고정 된 홀더는 입사 원자 번들 (필름 재료의 주입 방향)에서 기울어지고, 원주민 또는 나노 구조를 갖는 독특한 박막은 자체 음주 효과에 의해 형성된다 이 연구에서는 글 런 킹 앵글 퇴적 (Glad) 방법이라고도합니다[참조로 돌아 가기]

*9 전해질 지원

액체를 추가하거나 용해시켜 액체의 전도도를 증가시키는 물질 순수한 물은 전기를 거의 수행하지 않는 절연체이지만, 전해질을 물에 용해시킴으로써, 양전하와 음전하가있는 이온이 용액에 생성되어 용액을 통해 흐르는 전기의 운반체가된다 이 연구에서 1 mol l^-1의 수산화 칼륨 (KOH)의 수용액 사용되었습니다 이지지 전해질 수용액은 산소를 생성하기위한 광 스피드 바카라과 수소를 생성하기위한 PT/NI 스피드 바카라 (카운터 스피드 바카라) 사이의 저항을 감소시키는 역할을하며, 외부 전원으로부터의 적용 및 전위를 제어 할 수있다[참조로 돌아 가기]

*10 의사 태양

조명은 자연 햇빛과 강도와 파장 사이에 동일한 관계를 갖도록 설계되었습니다 날씨 나 시간으로 인해 변동이 없기 때문에, 재현성이 좋은 햇빛 하에서 광촉매의 특성을 평가할 수 있습니다 [참조로 돌아 가기]

*11 Rhe (가역 수소 스피드 바카라; Rhe)

가역 수소 스피드 바카라 이것은 스피드 바카라 전위를 측정 할 때의 전위에 대한 기준이며, 수성 용액의 pH에 관계없이 수소가 생성되는 전위는 기준 (0 V)으로 설정됩니다 물을 수소로 분해하고 산소로 분해하는 데 필요한 이론적 전해 전압은 123V이므로 산소가 생성되는 전위는 123V 대 RHE로 표현 될 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

*12 PhotoAutooxidation

광 촉매 및 광 흡수에 의해 광 촉매 및 광 전극에 생성 된 광습 담체의 구멍이 광 전극 자체를 산화시키는 반응 스피드 바카라 룸 질화물의 경우,이 광합성 발화 반응은 산화 방염 단열 (TAO_x) 멤브레인은 고체-액체 인터페이스에서 형성됩니다 이 tao_x막은 구멍의 반응 부위, 코카탈탈의 이동을 억제하여 산소 생산의 효율을 상당히 감소시킨다[참조로 돌아 가기]

*13 Photoelectrodeposition 메소드

코 캣als를지지하는 방법 중 하나 전구체 인 금속 염이 광 흡수에 의해 생성 된 광습 캐리어를 사용하여 광촉매 신체의 표면에서 감소되거나 산화되는 방법으로, 코 캣alyst 인 금속 또는 금속 산화물이 침전된다[참조로 돌아 가기]

*14 딥 코팅 방법

공동 촉매를지지하는 방법 중 하나 광촉매 신체가지지 될 물질이 용해 된 용액에 침지된다 그런 다음 광촉매 몸체가 일정한 속도로 수직으로 당겨집니다[참조로 돌아 가기]

*15 패러데이 효율

제품에 기여하는 부품의 전기량의 비율은 전체 전류의 전기량에 대한 비율 패러데이 수율, 쿨롱 효율 또는 전류 효율로도 알려진 전기 화학 반응에 사용 된 전하 전달 효율 (전자)을 나타냅니다[참조로 돌아 가기]

*16 재조합 반응 속도 상수

반도체의 전자 및 구멍이 재조합되고 소멸되는 반응 속도에 대한 비례 계수[참조로 돌아 가기]