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Ceramist > Volume 25(1); 2022 > Article
광전기화학적 물 분해를 위한 Bi 기반의 금속유기복합체가 도포된 BiVO4 광전극

Abstract

Decoration of metal-organic frameworks (MOFs) is emerging as attractive co-catalysts for effective photoelectrochemical (PEC) water oxidation. In this work, we report Bi-based MOF nanoparticle decorated BiVO4 thin film via a multi-step immersion process for efficient PEC water oxidation. Bi-MOF on the surface improves active sites and promotes surface charge transport under PEC reaction. The PEC performance of our Bi-MOF/BiVO4 electrode is 2 times higher than that of the bare BiVO4 sample. In addition, the operation stability was significantly improved and its value is retained even after 24 h. These results reveal that Bi-based MOF decoration is an attractive strategy to improve the surface kinetics and stability as a co-catalyst and passivation layer for efficient water oxidation.

서론

과도한 화석 연료의 사용은 지구 온난화와 같은 심각 한 환경오염을 일으키고 있으며, 이를 해결하기 위하여 친환경적인 신재생에너지 개발의 관심이 증가하고 있다. 현재 화석에너지를 대신할 대표적인 에너지원으로 수소가 주목받고 있다. 수소는 연료전지를 이용한 다양한 분야에 적용이 가능하기 때문에, 효율적인 수소 생산이 가능한 기술개발이 필요하다. 그중 광전기화학적 물분해는 태양에너지를 이용하여 수소 및 산소를 생산해낼 수 있는 가장 매력적인 친환경 기술 중 하나로 여겨지고 있다.[15] TiO2[68], Fe2 O3[911] 및 WO3[1214]를 포함한 금속 산화물 반도체 물질들은 저렴한 비용, 우수한 화학적 안정성 등의 이유로 광전기화학적 물분해 연구에 활발하게 적용되어 왔다. 그러나 현재까지 보고된 물질들의 물분해 성능은 제한적인 값을 보여왔다. 최근 단사정 비스무트 바나데이트(BiVO4)는 가시광선 영역에서 효율적인 광 흡수를 할 수 있는 2.4 eV의 밴드갭과 산소 발생 반응(OER)에 적합한 가전자대(valance band)를 갖고 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.[1519] BiVO4는 AM 1.5G(100mW cm−2)에서 1.23 VRHE에서 7.5mA cm−2의 높은 이론적 최대 광전류 밀도를 갖는 것으로 보고되었다.[15] 그러나 현재까지 보고된 BiVO4 기반 광전극은 전자와 정공이 쉽게 재결합되고, 물의 산화 속도가 느린 특성으로 인해 이론값보다 낮은 광전류 밀도를 보여왔다.[15] 최근 이러한 한계를 개선하기 위해 이종 구조의 적용[16,17,20], 전이 금속 도핑[2123] 및 조촉매 활용[2426]과 같은 다양한 연구가 보고되고 있다.
최근 전이금속 양이온과 유기 물질 사이의 배위 결합을 가진 금속-유기 복합체(metal-organic frameworks, MOFs)는 높은 활성 표면적, 높은 활성 표면적, 우수한 흡착성, 촉매 안정성 및 적절한 화학 구조 구성을 통한 특성 제어 가능성을 가지고 있기 때문에 OER의 촉진을 위한 새로운 조촉매로 주목받고 있다.[19, 2729]. 그러나 대부분의 MOF 재료는 본질적으로 낮은 전기 전도도와 열악한 광 반응성을 보여왔다.[28,30] 이러한 한계를 해결하기 위해 여러 전이 금속의 적용과 유기체의 구조를 변형하는 시도가 관찰되고 있다. 최근 일부 연구에서는 Bi 함유 반도체 물질와 좋은 결합력을 보이며 촉매 활성을 개선한 Bi 기반의 MOF 구조체로 광활성을 개선한 결과가 보고하였다.[29,31,32] 다양한 구조체 가운데 Bi-MOF(CAU-17)는 가시광선 조사에 반응할 수 있고 광촉매 반응에 대한 우수한 전하 이동성을 갖 는 두 개의 규칙적으로 조립된 나선 사슬 및 새로운 3차원 복합체를 가지고 있기 때문에 조촉매로의 가능성을 보여왔다.[31] 또한 Bi-MOF의 Bi 결합은 다른 MOF보다 BiVO4와 더 강하게 결합할 수 있으며, 이는 BiVO4 광양전극에 장식된 Bi-MOF가 작동 조건에서 안정성과 물 산화 특성이 향상될 수 있다는 것을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 광촉매로서의 Bi-MOF의 적용은 다른 조촉매 재료들과 비교하여 거의 연구되지 않았으며, 주로 120o C 이상의 수열/용열 합성법에 의해 주로 성장되었다. 현재까지, 100o C 이하의 온도에서 직접적으로 Bi-MOF를 BiVO4에 코팅한 광전극을 PEC 물 분해에 적용한 연구가 보고되지 않았다.
본고에서는 기존 MOF 합성 방법을 수정하여 상온에서 다단계 침지 공정을 통해 BiVO4 필름 표면에 Bi 기반의 MOF를 코팅한 광전극을 개발하였다.[31] Fig. 1.에서 볼 수 있듯이 BiVO4 광전극의 Bi 원자와 성장된 Bi-MOF 사이에 결합이 형성되어 다른 전이 금속 기반의 MOF 구조를 사용한 것과 비교하여 유리한 접합을 형성할 수 있었다. 특히, MOF의 다공성 구조는 전해질과 접촉하는 광전극의 활성 표면적 및 광에 의해 생성된 전자-정공의 분리를 향상시키고, PEC 물 분해 효율을 향상시키는 것을 확인했다. 결과적으로 BiVO4 광전극 표면에 Bi-MOF를 코팅한 것은 광전류 밀도, 작동 안정성 및 수소-산소 발생 특성의 향상을 보여주었다. 또한, MOF를 저온에서 합성함에 따라, 향후 저온 공정이 필수적인 물질에 적용 가능성을 보여주었다.
Fig. 1
Schematic of the synthesis method of Bi-MOF/BiVO4 electrode
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실험방법

2.1 BiVO4 광전극 제조

BiVO4 광전극은 용액을 만들고 스핀코팅을 이용하여 합성하였다. 화학양론적 비율로 Bi(NO3)3·5H2 O (99.999%, Sigma-Aldrish), VO (acac)2(98%, Sigma-Aldrish), NH4 NO3·1H2 O (98%, Sigma-Aldrish)를 2-methoxyethanol (98%, Sigma-Aldrish) 용매에 넣어 10분간 초음파로 용해하고, 75분간 교반하여 담황색의 전구체 용액을 제조하였다.[33] 스 핀 코팅 전, 필터(0.45μm, PTFE, Whatman)를 사용하여 혼합 용액의 불순물을 2회 제거하였다. FTO 기판(Pilkington, TEC 15)은 DI-water, Acetone 및 IPA를 이용하여 표면의 불순물을 1차로 제거하였고, UV 표면 처리기를 이용하여 2차로 제거한 후에 광전극 제조에 사용되었다. Fig. 1에 나타난 바와 같이, BiVO4 광전극은 10회 반복하여 증착하였다. 이어서 500℃의 퍼니스에서 2시간 동안 어닐링을 진행하여 단사정계 BiVO4를 제조하였다.

2.2 Bi-MOF/BiVO4 필름 제조

Bi-MOF/BiVO4 필름은 주변 온도에서 다단계 침지 방법으로 합성되었다. N,N-디메틸포름아미드(DMF)와 메탄올 1:3의 비율을 갖는 용액 60mL에 Bi(NO3)3·5H2O 2.83g과 1,3,5-벤젠트리카르복실산 2.30g의 혼합물을 사용하여 전구체 용액을 제조하였다. 혼합물은 실온에서 15분 동안 교반 하였다. 생성된 용액은 1/1.88의 금속 대 리간드 비율로 0.28M의 총 농도를 가졌으며 불투명한 액상 형태로 존재하였다. 충분히 교반 후에 준비된 BiVO4 샘플을 실온에서 6시간 동안 혼합 용액에 침지하여 합성하였다. 침지 후 샘플은 표면 백색 잔류물이 제거될 때까지 몇 분 동안 초음파 처리를 통해 메탄올 및 DMF로 순차적으로 세척되었다. 그 후, 샘플을 70℃에서 공기 중에서 건조시키고, 200o C에서 30분 동안 어닐링하여 Bi-MOF/BiVO4 필름을 얻어내었다. Fig. 1.과 같이 다양한 두께의 MOF/BiVO4 샘플을 1~3주기 동안 침지 과정을 반복하여 제작하였다.

2.3 재료 특성 분석

제조된 샘플의 결정상은 40kV 및 100mA에서 Cu K α 방사선(λ = 1.5405Å)을 사용하는 X선 회절 분석법(XRD, Bruker AXS, 독일)과, 아르곤 이온 레이저로 여기 된 514.5nm 라만 분광법을 이용하여 확인하였다. 샘플의 표면 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, Hitachi S-4700) 및 투과 전자 현미경(TEM, FEI Titan Themis Z)으로 관찰하였다. 자외선 가시광선(UV-vis) 분광법을 이용하여 샘플의 광흡수 성능을 확 인하였다.

2.4 전극의 광전기화학적 특성 평가

PEC 특성은 150W 램프(Model 10500, ABET Technology)를 사용하여 평가하였으며, 광 다이오드(Bunkokeiki)를 사용하여 광도(1 sun = 100mW cm−2)를 보정하였다. 석영 셀의 3전극 시스템을 사용하여 샘플 전면에 빛을 조사하여 특성을 평가하였다. 제조된 광전극 샘플을 작업 전극, Ag/AgCl(포화된 KCl)을 기준 적극 및 Pt 코일을 상대전극으로 사용하여 PEC 측정을 진행하였다. VRHE는 아래의 방정식을 사용하여 계산하였다.
(1)
VRHE=VAg/AgCl+0.059×pH+VAg/AgCl0(포화KCI)
전해질은 1M KB 수용액(potassium borate buffer solution)을 사용하였다(pH=9.3). 표면 전하 이동 효율을 계산하기 위해 0.2M Na2 SO3를 1M KB (pH = 9.3)에 첨가한 전해질 또한 제조하였습니다. 모든 샘플은 전극과 구리 와이어가 전해질과 분리하기 위해 레진과 에폭시 혼합물로 밀봉되었다. 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV) 및 전기화학적 임피던스 분석(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 측정은 전위 가변기(Potentiostat, Ivium Technologies)를 사용하여 측정하였다. 광전극의 안정성은 1.23VRHE에서 전위차계의 전위스텝법(Chronoamperometry)을 사용하여 평가하였다. 또한 임피던스 피팅(ZView, Scribner Associates)을 사용하여 등가 회로 모델을 사용하여 EIS 결과를 분석하였다. 모노크로미터(Monochrometer, Dongwoo OPTRON, 300–600nm)를 이용하여 광전극을 1.23VRHE에서 광전변환양자효율(Incident-Photon-to-Current Efficiency, IPCE)을 측정하였다. 광전극의 인가된 바이어스 광자 대 전류 효율(Applied Bias Photon-to-current Efficiency, ABPE)은 다음 방정식을 사용하여 계산하였다.
(2)
ABPE(%)=I×(1.23Vapp)/Plight×100%
여기서 I은 전류 밀도, Vapp은 RHE에서 인가된 전위, Plight는 광원의 강도(100mW cm−2)이다. 준비된 광전극의 표면 전하 이동 효율(ηtransfer)은 다음 식 사이의 비율로 계산되었다.
(3)
ηtransfer=Iwater/Isulfite×100%
여기서 Isulfite는 Na2 SO3 산화의 광전류 밀도이고 Na2 SO3 산화 전하 이동 효율은 100%로 가정하여 계산하였다.

2.5 기체 생성물 분석

PEC 반응에서 발생하는 가스 생성물을 분석하기 위하여 열전도도 검출기(TCD)가 장착된 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC, YL Instrument)를 사용하였다. 물질을 분리해 내기 위해 Carboxen-1000(12390-U, Supelco) 컬럼을, 기준 가스로는 Ar(99.999%)을 사용하였다. GC 분석 전 PEC 반응 용기에 남은 산소를 제거하기 위해 Ar을 2시간 이상 흘려주었다. 측정하는 동안 Ar 가스는 유량계(ADM Flow Meter G6691A, Agilent Technology)를 사용하여 측정된 20mL min–1의 속도로 반응기에 지속적으로 공급되었다.

실험 결과 및 토의

Fig. 1.은 다단계 침지 공정을 통해 BiVO4 광전극에서 Bi-MOF 조촉매를 준비하는 개략도를 나타내었다. 먼저, Bi-MOF는 이전에 보고된 solvothermal 방법을 수정하여 상온에서 BiVO4 표면에 코팅되었다.[31] 침지 공정은 MOF의 활성 영역을 최대화하도록 최적화되었으며, MOF 입자는 BiVO4 표면에 장식되어 촉매적 활성을 향상시켜 효율적인 광반응이 가능하도록 설계되었다. 제조된 광전극들은 기준 BiVO4 필름에 Bi-MOF의 침지 횟수를 변화 시켜 제작되었다. 이후로는, 침지 공정 횟수(1회~3회)에 따라 증착된 Bi-MOF 층을 각각 M1, M2, M3으로 구분하여 비교 분석한다.
Fig. 2.는 BiVO4와 (M1, M2, M3)BiVO4 광전극의 표면 구조를 특성화한 FESEM 이미지이다. BiVO4 전극들이 FTO 기판 위에 다른 결합이 보이지 않는 상태로 균일하게 성장되어 있고, Fig. 2.(b)-(d)의 노란색 화살표로 표시된 것을 보면 침지 횟수가 증가함에 따라 표면의 Bi-MOF 입자가 점차 조밀하게 BiVO4 표면에 증착된 것을 알 수 있다. 만들어진 MOF 나노입자의 특징과 크기를 면밀히 관찰하기 위해 HRTEM을 측정하였다. Fig. 3.은 비정질의 MOF 나노입자가 BiVO4 표면에 15nm의 구 형태로 표면에 성공적으로 성장되었음을 알 수 있다. 또한, HRTEM 이미지에서는 0.31nm의 격자 간격을 보여주며, 이는 BiVO4의 (121) 평면과 일치됨을 보여준다.[25] 두 번째 침지 공정 후, 더 많은 나노입자가 BiVO4 필름의 표면에 조밀하게 분포되어 활성 면적이 넓어졌음을 알 수 있다. 그러나 침지 횟수가 3회 이상으로 증가함에 따라 Fig. 2(d)와 같이 표면에 큰 클러스터가 형성되는데, 이는 반복적인 침지 과정에서 MOF 물질간의 강한 상호 작용 때문일 수 있다.
Fig. 2
SEM images of electrodes. (a) BiVO4, (b)-(d) (M1-M3)/BiVO4.
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Fig. 3
HRTEM image of M1/BiVO4 photoanode.
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Fig. 4.(a)는 BiVO4와 (M1-M3)/BiVO4의 X선회절분석 결과이다. 500o C에서 열처리된 BiVO4 광전극은 다른 불순물 없이 다결정 단사정 상을 형성하였다.[16,33] Bi-MOF 침지 공정 후의 전극들은 기존 샘플과 유사한 회절 패턴을 보이고, BiVO4 필름의 결정 구조에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 이는 BiVO4 표면에 아주 소량의 Bi-MOF 나노입자가 존재하여 XRD 상으로는 분석이 어렵고, 추가적인 분석이 필요하다는 것을 의미한다.[27,34,35] Fig. 4.(b)는 광전극의 광흡수 스펙트럼을 확인하기 위해 측정한 UV-Vis 결과이다. 각 샘플들의 흡수 스펙트럼의 형태는 큰 차이가 없으나. MOF 침지 횟수가 증가함에 따라 추가적으로 코팅된 유기 리간드의 광반응으로 인해 점차적 광흡수가 향상된 것을 보였다.[35] 광을 잘 흡수하는 것은 광에 의해 여기되는 전하의 개수가 많아지고, 이는 효율적인 표면 반응을 이끌어 낼 수 있음을 의미하기 때문에, Bi-MOF 코팅이 최적화된 샘플은 OER 반응 속도 증가를 기대할 수 있다.
Fig. 4
(a) XRD pattern and (b) UV-Vis absorption of bare BiVO4 and Bi-MOF/BiVO4 photoanodes.
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Fig. 5.는 XRD로 확인하지 못한 BiVO4 필름의 표면의 Bi-MOF 층이 존재함을 확인하기 위해 측정한 Raman 결과이다. 기준 BiVO4의 대표적 Raman 산란 피크인 ~209.9, 326.1, 368.2 및 825.8 cm−1에서 명확하게 관찰되었다.[35,36] 주요 피크인 825.8 cm−1는 V-O 결합의 스트레칭에 의한 것으로, 피크의 이동을 통해 물질에 표면 상태를 확인 할 수 있다. 다단계 침지 공정 후 V-O 피크는 M1, M2 및 M3/BiVO4 광전극 각각에 대해 ~826.9, 828.1 및 829.2 m−1로 점차 이동한 것을 알 수 있다. 이는 BiVO4 전극과 친화력을 가진 Bi-MOF 나노 입자가 성공적으로 표면에 도포된 영향을 나타낸다.
Fig. 5
Raman spectra of bare BiVO4 and Bi-MOF/BiVO4 photoanodes.
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Fig. 6.(a)는 BiVO4 기반의 광전극이 pH 9.3의 1M KB 전해질에서 3전극 전기화학 시스템에서 측정된 LSV 결과이다. 기준 BiVO4는 1.23VRHE에서 1.14 mA cm−2의 광전류 밀도를 나타냈다. M1/BiVO4 및 M2/BiVO4 광전극의 광전류 밀도는 1.23 VRHE에서 각각 1.80 및 2.35 mA cm−2로 향상된 것을 보였다. BiVO4 표면에 잘 분포되고 조밀한 구조를 갖는 MOF 나노 입자가 광흡수 및 활성 표면적을 증가시켰고, 결과적으로 M2/BiVO4 광전극에서 기준 BiVO4보다 낮은 전압 범위에서부터 전반적으로 높은 전류 밀도를 가지고 있고, 물 산화가 일어나는 1.23 VRHE에서는 2.06배 더 높은 것을 볼 수 있다. 그러나, M3/BiVO4 광전극에서는 SEM에서 확인했듯이 표면에 MOF가 덩어리져 있고, 이는 광 생성된 정공-전자쌍의 분리를 방해하고 활성 표면적을 감소 시켜 기준 BiVO4보다 광전류 밀도를 감소시킨 것으 로 보인다. Fig. 6.(b)는 BiVO4 광전극의 1.23 VRHE에서 측정한 EIS 결과를 Nyquist 플롯으로 나타냈다. M2/BiVO4 광전극은 Nyquist 플롯에서 가장 작은 반원을 보이고, 이는 다른 전극들에 비해 더 작은 전하 이동 저항을 가지고 있음을 나타낸다. 광전류 밀도와 EIS 결과를 통해, Bi-MOF의 코팅은 전극 표면에서 더 효율적인 전하 이동과 분리가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 6
(a) LSV curves and (b) Nyquist plot of bare BiVO4 and M(1-3)/BiVO4 photoanodes in 1 M KB electrolyte at pH 9.3.
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계산된 ABPE는 0.89 VRHE(기준 BiVO4)에서 0.20 %, 0.82VRHE(M1/BiVO4)에서 0.39%, 0.78 VRHE(M2/BiVO4)에서 0.55%, 0.83 VRHE(M3/BiVO4)에서 0.21%의 결과를 Fig. 5.(c)에 나타냈다. 이 결과는 조촉매인 Bi-MOF 나노입자 도입으로 BiVO4의 광반응 효율이 향상되었음을 나타낸다. Fig. 7.(a)는 제조된 광전극들의 파장에 따른 광반응성을 확인하기 위해 390-550 nm 파장 범위에서 측정한 IPCE를 나타낸다. Bi-MOF 가 코팅된 BiVO4 광전극의 전환 효율은 기준 BiVO4에 비해 크게 향상되었으며, 이러한 경향은 광전류 밀도와 일치하는 것으로 보여졌다. 445 nm에서 M1/BiVO4, M2/BiVO4 및 M3/BiVO4의 IPCE 값은 각각 13.5%, 34.6%, 14.4%로, 기준 BiVO (445 nm에서 ~9.6%)보다 큰 값을 얻었다. 이러한 결과로부터 우리는 Bi-MOF 가 광전기화학적 전환 효율을 높이는 것에 중요한 역할 을 하며, 효율적인 OER을 위한 좋은 조촉매라는 것을 확인하였다.
Fig. 7
(a) ABPE results as a function applied potential and (b) IPCE result of bare BiVO4 and M(1-3)/BiVO4 photoanodes in 1 M KB electrolyte at pH 9.3.
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Fig. 8.(a)는 물과 NaSO3(홀 스캐빈저)의 산화를 비교하기 위해 각각을 측정한 LSV 결과이다. 기준 BiVO4 및 M2/BiVO4의 광전류 밀도는 홀 스캐빈저(점선) 조건에서 각각 1.65 및 3.21mA cm−2 (1.23 VRHE)의 값을 얻었다. 방정식 (3)을 이용하여 기존 BiVO4 및 M2/BiVO4 광전극의 표면 전하 이동 효율을 계산하여, 조촉매 효과를 확인하였다. M2/BiVO4의 표면 전하 전달 효율은 1.23 VRHE에서 74.8%로 기준 BiVO4의 47.9%보다 거의 1.6배 더 높은 것으로 보여졌다. 위의 결과로부터 우리는 BiVO4 표면의 Bi-MOF 리간드가 계면에서 생성된 전하의 이동 및 분리를 가속화하여 PEC 물 산화 성능을 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.
Fig. 8
(a) LSV curves with and without hole scavenger and (b) surface charge transfer efficiency of bare BiVO4 and M2/BiVO4 photoanodes.
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Fig. 9.(a)는 BiVO4 광전극을 1.23 VRHE에서 안정성을 평가한 결과이다. 기준 BiVO4의 광전류 밀도는 24시간 후 약 50%로 감소했으며, 이는 PEC 반응상에서 열악한 화학적 안정성을 보여준다. 반면, BiVO4에 Bi-MOF 가 증착된 광전극은 BiVO4에 비해 우수한 안정성을 보였다. 특히, M2/BiVO4 광전극은 24시간 후에 거의 초기값에 가까운 광전류 밀도를 나타낸다. 이는 최적화된 Bi-MOF 나노입자의 코팅은 표면 결함을 줄이고 전하이동층을 개선하여 BiVO4 막의 용해를 방지하는 것을 의미한다. Fig. 7.(c)는 얻어진 광전류가 물 산화에 얼마 나 활용되었는지 확인하기 위해서 생성된 O2 가스의 패러데이 효율을 확인한 결과이다. 이 측정을 위해 상대 전극과 작업 전극을 PEC 셀의 Nafion 멤브레인으로 분리했으며, 이 멤브레인은 기준 BiVO4 및 M2/BiVO4에 대해 생성된 O2 가스의 양을 측정하기 위해 GC에 직접 연결하여 측정했다. M2/BiVO4 광전극의 O2 발생량은 BiVO4 보다 더 많았고, 30분마다 발생하는 양은 2시간 동안 거의 비슷하였다. 또한, M2/BiVO4의 패러데이 효율 92%로 계산되었으며, 이는 광전극에서 생성된 정공이 산소 생산에 주로 사용되었음을 보여준다. 위의 결과들에 따르면 Bi-MOF 도포는 PEC 반응에 대한 물 산화 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준다.
Fig. 9
(a) Stability test at 1.23 VRHE and (b) Faradaic efficiency of evolved O2 gas measured by on-line gas chromatograph of BiVO4 and M2/BiVO4 photoanodes.
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결론

본 연구에서 우리는 최초로 상온에서 다단계 침지 공정을 통해 BiVO4 표면에 Bi 기반의 MOF 나노 입자를 코팅한 광전극을 제조하였다. 전극 표면에 잘 분산된 형태의 입자를 코팅하고 활성 면적을 늘려주기 위해 침지 횟수를 제어하는 방법을 사용하였다. Bi-MOF가 코팅된 BiVO4 전극은 기존 전극에 비해 광활성 및 특성이 크게 개선되었다. 특히 최적화된 광전극은 광흡수 특성, 전하 분리 향상, 물 산화 공정에 대한 표면 열화로부터 BiVO4 층 보호를 잘 해낼 수 있음을 보여주었다. 결과 적으로 MOF 장식이 물 산화를 위한 광전극의 안정성과 광 반응성을 향상시키는 유망한 전략 중 하나임을 보여주었다. 향후, OER 반응성을 향상시키기 위해서는 다양한 전이금속과 유기복합체를 조합하는 것이 필요하다.

REFERENCES

1. W. Yang, R.R. Prabhakar, J. Tan, S.D. Tilley, J. Moon, “Strategies for enhancing the photocurrent, photovoltage, and stability of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting.” Chem. Soc. Rev. 48, 4979–5015 (2019).
crossref pmid
2. I. Roger, M.A. Shipman, M.D. Symes, “Earth-abundant catalysts for electrochemical and photoelectrochemical water splitting.” Nature Reviews Chemistry. 1, 0003(2017).
crossref
3. J. Joy, J. Mathew, S.C. George, “Nanomaterials for photoelectrochemical water splitting.” International Journal of Hydrogen Energy. 43, 4804–4817 (2018).
crossref
4. Y. Lin, G. Yuan, R. Liu, S. Zhou, S.W. Sheehan, Wang, Semiconductor nanostructure-based photoelectrochemical water splitting: A brief review. 507, 209–215 (2011).

5. J. Cen, Q. Wu, M. Liu, Orlov, “Developing new understanding of photoelectrochemical water splitting via in-situ techniques: A review on recent progress.” Green Energy & Environment. 2, 100–111 (2017).
crossref
6. Z. Zhang, M.F. Hossain, Takahashi, “Photoelectrochemical water splitting on highly smooth and ordered TiO2 nanotube arrays for hydrogen generation.” International journal of hydrogen energy. 35, 8528–8535 (2010).
crossref
7. G. Wang, H. Wang, Y. Ling, Y. Tang, X. Yang, R.C. Fitzmorris, C. Wang, J.Z. Zhang, Y. Li, “Hydrogen-treated TiO2 nanowire arrays for photoelectrochemical water splitting.” Nano Lett. 11, 3026–3033 (2011).
crossref pmid
8. J. Wang, H. Sun, J. Huang, Q. Li, J. Yang, “Band structure tuning of TiO2 for enhanced photoelectrochemical water splitting.” The Journal of Physical Chemistry C. 118, 7451–7457 (2014).
crossref
9. K. Sivula, F. Le Formal, M. Gratzel, “Solar water splitting: progress using hematite (alpha-Fe(2) O(3)) photoelectrodes.” ChemSusChem. 4, 432–449 (2011).
crossref pmid
10. J. Krysa, M. Zlamal, S. Kment, M. Brunclikova, Z.J.M. Hubicka, “TiO2 and Fe2 O3 films for photoelectrochemical water splitting.” Molecules. 20, 1046–1058 (2015).
crossref pmid pmc
11. A. Noypha, Y. Areerob, S. Chanthai, P. Nuengmatcha, “Fe2 O3-graphene anchored Ag nanocomposite catalyst for enhanced sonocatalytic degradation of methylene blue.” Journal of the Korean Ceramic Society. 58, 297–306 (2021).
crossref
12. T. Zhang, Z. Zhu, H. Chen, Y. Bai, S. Xiao, X. Zheng, Q. Xue, S.J.N. Yang, “Iron-doping-enhanced photoelectrochemical water splitting performance of nanostructured WO3: a combined experimental and theoretical study.” Nanoscale. 7, 2933–2940 (2015).
crossref
13. V. Cristino, S. Caramori, R. Argazzi, L. Meda, G.L. Marra, C.A. Bignozzi, “Efficient photoelectrochemical water splitting by anodically grown WO3 electrodes.” Langmuir. 27, 7276–7284 (2011).
crossref
14. X. Feng, Y. Chen, Z. Qin, M. Wang, L.J.A.a.m. Guo, “Facile fabrication of sandwich structured WO3 nanoplate arrays for efficient photoelectrochemical water splitting.” ACS applied materials & interfaces. 8, 18089–18096 (2016).
crossref
15. W. Oh, MRUD. Biswas, “3D shape of BiVO4-GO nanocomposite for excellent photocatalytic performance on standard and industrial dyes under visible light.” Journal of the Korean Ceramic Society. 58, 662–671 (2021).
crossref
16. B.R. Lee, M.G. Lee, H. Park, T.H. Lee, S.A. Lee, S.S.M. Bhat, C. Kim, S. Lee, H.W. Jang, “All-Solution-Processed WO3/BiVO4 Core-Shell Nanorod Arrays for Highly Stable Photoanodes.” ACS Appl Mater Interfaces. 11, 20004–20012 (2019).
crossref pmid
17. J.-S. Yang, J.-J. Wu, “Low-potential driven fully-depleted BiVO4/ZnO heterojunction nanodendrite array photoanodes for photoelectrochemical water splitting.” Nano Energy. 32, 232–240 (2017).
crossref
18. M. Tayebi, B.-K.J.R. Lee, S.E. Lee, “Reviews, Recent advances in BiVO4 semiconductor materials for hydrogen production using photoelectrochemical water splitting.” Sustainable Energy Reviews. 111, 332–343 (2019).
crossref
19. S. Zhou, K. Chen, J. Huang, L. Wang, M. Zhang, B. Bai, H. Liu, Q.J.A.C.B.E. Wang, “Preparation of heterometallic CoNi-MOFs-modified BiVO4: a steady photoanode for improved performance in photoelectrochemical water splitting.” Environmental. 266, 118513(2020).
crossref
20. Y. Hu, D. Li, Y. Zheng, W. Chen, Y. He, Y. Shao, X. Fu, G.J.A.C.B.E. Xiao, “BiVO4/TiO2 nanocrystalline heterostructure: a wide spectrum responsive photocatalyst towards the highly efficient decomposition of gaseous benzene.” Environmental. 104, 30–36 (2011).
crossref
21. J.K. Kim, X. Shi, M.J. Jeong, J. Park, H.S. Han, S.H. Kim, Y. Guo, T.F. Heinz, S. Fan, C. Lee, “Enhancing Mo: BiVO4 Solar Water Splitting with Patterned Au Nanospheres by Plasmon‐Induced Energy Transfer.” Advanced Energy Materials. 8, 1701765(2018).
crossref
22. M. Tayebi, B.-K.J.C.T. Lee, “The effects of W/Mo-co-doped BiVO4 photoanodes for improving photoelectrochemical water splitting performance.” Catalysis Today. 361, (2021).

23. X. Zhao, J. Hu, X. Yao, S. Chen, Z. Chen, “Clarifying the roles of oxygen vacancy in W-doped BiVO4 for solar water splitting.” ACS Applied Energy Materials. 1, 3410–3419 (2018).
crossref
24. S.Y. Jeong, H.-M. Shin, Y.-R. Jo, Y.J. Kim, S. Kim, W.-J. Lee, G.J. Lee, J. Song, B.J. Moon, Seo, “Plasmonic silver nanoparticle-impregnated nanocomposite BiVO4 photoanode for plasmon-enhanced photocatalytic water splitting.” The Journal of Physical Chemistry C. 122, 7088–7093 (2018).
crossref
25. G. Fang, Z. Liu, C. Han, “Enhancing the PEC water splitting performance of BiVO4 co-modifying with NiFeOOH and Co-Pi double layer cocatalysts.” Applied Surface Science. 515, (2020).

26. H. Zhang, Y. Yu, L. Zhang, S.J.A.C. Dong, “Fuel‐Free Bio‐photoelectrochemical Cells Based on a Water/Oxygen Circulation System with a Ni: FeOOH/BiVO4 Photoanode.” Angewandte Chemie. 130, 1563–1567 (2018).
crossref
27. D. Cardenas-Morcoso, R. Ifraemov, M. García-Tecedor, I. Liberman, S. Gimenez, I. Hod, “A metal– organic framework converted catalyst that boosts photo-electrochemical water splitting.” Journal of Materials Chemistry A. 7, 11143–11149 (2019).
crossref
28. W. Wang, X. Xu, W. Zhou, Z. Shao, “Recent Progress in Metal-Organic Frameworks for Applications in Electrocatalytic and Photocatalytic Water Splitting.” Adv Sci (Weinh). 4, 1600371(2017).
crossref pmid pmc
29. A.K. Inge, M. Koppen, J. Su, M. Feyand, H. Xu, X. Zou, M. O'Keeffe, N. Stock, “Unprecedented Topological Complexity in a Metal-Organic Framework Constructed from Simple Building Units.” J Am Chem Soc. 138, 1970–1976 (2016).
crossref pmid
30. J. Duan, S. Chen, C. Zhao, “Ultrathin metal-organic framework array for efficient electrocatalytic water splitting.” Nat Commun. 8, 15341(2017).
crossref pmid pmc
31. G. Wang, Q. Sun, Y. Liu, B. Huang, Y. Dai, X. Zhang, X. Qin, “A bismuth-based metal-organic framework as an efficient visible-light-driven photocatalyst.” Chemistry. 21, 2364–2367 (2015).
crossref pmid
32. M. Köppen, A. Dhakshinamoorthy, A.K. Inge, O. Cheung, J. Angstrom, P. Mayer, N.J.E.J.I.C. Stock, “Synthesis, Transformation, Catalysis, and Gas Sorption Investigations on the Bismuth Metal-Organic Framework CAU-17.” European Journal of Inorganic Chemistry. 2018, 3496–3503 (2018).
crossref
33. S. Kim, Y. Yu, S.Y. Jeong, M.G. Lee, H.W. Jeong, Y.M. Kwon, J.M. Baik, H. Park, H.W. Jang, S. Lee, “Plasmonic gold nanoparticle-decorated BiVO4/ZnO nanowire heterostructure photoanodes for efficient water oxidation.” Catalysis Science & Technology. 8, 3759–3766 (2018).
crossref
34. Y.-h. Si, Y.-y. Li, Y. Xia, S.-k. Shang, X.-b. Xiong, X.-r. Zeng, J. Zhou, “Fabrication of Novel ZIF-8@ BiVO4 Composite with Enhanced Photocatalytic Performance.” Crystals. 8, (2018).

35. C. Liu, H. Luo, Y. Xu, Z. Zhang, Q. Liang, W. Wang, Z. Chen, “Synergistic cocatalytic effect of ultra-thin metal-organic framework and Mo-dopant for efficient photoelectrochemical water oxidation on BiVO4 photoanode.” Chemical Engineering Journal. 384, (2020).

36. S. Hernández, G. Gerardi, K. Bejtka, A. Fina, N. Russo, “Evaluation of the charge transfer kinetics of spin-coated BiVO4 thin films for sun-driven water photoelectrolysis.” Applied Catalysis B: Environmental. 190, 66–74 (2016).
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Biography

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◉◉이 상 한
◉ 1997~2004 포항공과대학교 재료공학과 학사
◉ 2004~2006 포항공과대학교 재료공학과 석사
◉ 2007~2012 위스콘신매디슨대학교 재료공학과 박사
◉ 2012~2013 위스콘신매디슨대학교 재료공학과 박사후연구원
◉ 2013~현재 광주과학기술원
◉ 신소재공학부 정교수

Biography

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◉◉김 승 규
◉ 2011~2015 전남대학교 응용화학공학부 학사
◉ 2015~2022 광주과학기술원 신소재공학부 석/박사 통합과정
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