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제118회 대한화학회 학술발표회, 총회 및 기기전시회 안내 Tantalum nitride synthesis by solution process for solar water splitting

등록일
2016년 9월 1일 15시 08분 00초
접수번호
2395
발표코드
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발표시간
목 10시 : 55분
발표형식
구두발표
발표분야
환경에너지 - Recent Trends in Environmental and Energy Chemistry
저자 및
공동저자
한성규, 황윤정*
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지 연구센터, Korea
광전기 화학적 촉매는 빛을 흡수하여 생성된 전하들을 활용하여 화학반응을 촉진시킴으로써 태양에너지를 화학에너지로 변환시킬 수 있다. 따라서, 태양에너지를 효율적으로 흡수하기 위한 가시광 반도체가 주로 사용되며, 물 분해 반응으로 사용되는 경우, 산환/환원 반응의 전위를 고려하여 1.8~2.0 V의 밴드 갭이 태양광-물 분해 수소 제조 효율 10% 달성에 가장 이상적인 밴드 갭으로 제안되고 있다. 그러나 지금까지의 많은 반도체들은 합성이 용이한 금속 산화물 반도체를 활용하여 밴드 갭이 크고, 낮은 valence band 전위로 인해서 태양광-물 분해 반응에서 에너지 손실이 많음이 지적되고 있다. 질화물계열은 산화물에 비해 상대적으로 높은 valence band를 가지고 있어 최근 각광받고 있으며, 이 중 Ta3N5은 conduction band 전위가 높아 물 분해 반응에서 높은 효율을 보고 하고 있다. Ta3N5는 일반적으로 Ta2O5를 거쳐 합성하게 되는데, Ta 기판을 전기화학적으로 anodization 하거나 hydrothermal 반응을 통해서 Ta2O5를 합성하고 있다. 하지만 이 방법은 대량생산이 어렵고, Ta 기판을 이용하기 때문에 경제적으로 좋지 못하므로 이를 대체할 용액 공정 기반 합성법을 개발하고 광전기화학적 특성을 분석하였다. 용액 공정 후, 질화과정을 거쳐 Ta3N5 박막이 생성됨이 SEM, XRD, XPS 등의 장비로 확인하였으며, 산소의 잔존 량에 따라 광화학적 특성이 민감하게 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 1M KOH 용액에서 모사태양광 조건에서 최대 2mA/cm2 (@1.6V VS. RHE)의 광전류가 얻어졌다. 합성 용액에 사용되는 Ta 전구체의 종류와 합성 조건에 따라 전하분리 효율에 크게 영향을 미쳐 광전기화학적 활성이 달라짐을, Linear sweep voltammetry (LSV), Incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE), Intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS), Kelvin prove force microscopy (KPFM) 등의 다양한 측정방법으로 분석하였다.

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