효율적인 수소 생산을 위한 무연 페로브스카이트의 계면 상호작용

[아름이]

효율적인 수소 생산을 위한 무연 페로브스카이트의 계면 상호작용
날짜:
2023년 1월 13일
원천:
홍콩 시립대학교
요약:
태양 에너지를 수소 에너지로 전환하는 것은 에너지 부족을 해결하고 화석 연료 배출을 줄이기 위한 유망한 친환경 기술을 나타냅니다. 연구팀은 최근 고효율 태양 에너지를 수소로 변환하는 무연 페로브스카이트 광촉매를 개발했습니다.

태양 에너지를 수소 에너지로 전환하는 것은 에너지 부족을 해결하고 화석 연료 배출을 줄이기 위한 유망한 친환경 기술을 나타냅니다. 홍콩 시립 대학(CityU)의 연구팀은 최근 고효율 태양 에너지를 수소로 변환하는 무연 페로브스카이트 광촉매를 개발했습니다.

가장 중요한 것은 광전기화학적 수소 생산 동안 고체-고체(할라이드 페로브스카이트 분자 사이)와 고체-액체(할라이드 페로브스카이트와 전해질 사이) 계면의 계면 동역학을 공개했다는 점이다. 최신 연구 결과는 미래에 수소 연료를 생산하기 위한 보다 효율적인 태양열 구동 방법을 개발할 수 있는 길을 열어줍니다.

수소는 풍부하고 에너지 밀도가 높으며 환경 친화성으로 인해 더 우수하고 유망한 재생 에너지 대안으로 간주됩니다. 광전기화학적 물 분해와는 별개로, 수소를 생산하는 또 다른 유망한 방법은 태양광 구동 광촉매를 사용하여 할로겐화수소산을 분해하는 것입니다. 그러나 광촉매의 장기적인 안정성은 전이 금속 산화물 또는 금속으로 만들어진 대부분의 촉매가 산성 조건에서 불안정하기 때문에 중요한 과제입니다.

"납 기반 하이브리드 페로브스카이트는 이러한 안정성 문제를 극복하기 위해 사용되지만 납의 높은 수용성과 독성으로 인해 광범위한 응용 가능성이 제한됩니다. CityU의 재료 과학 및 공학과. "대조적으로 비스무트 기반 페로브스카이트는 태양열 연료 응용 분야를 위한 비독성, 화학적으로 안정적인 대안을 제공하는 것으로 확인되었지만 광촉매 효율을 향상시킬 필요가 있습니다."

효율적이고 안정적인 광촉매를 설계하려는 동기가 부여된 Hsu 박사와 그의 동료들은 최근 고효율 전하 운반체 수송을 위한 밴드갭 깔대기 구조를 가진 비스무트 기반 할로겐화물 페로브스카이트를 개발했습니다. 혼합 할로겐화물 페로브스카이트로서 요오드화물 이온의 분포가 표면에서 내부로 갈수록 점차 감소하여 밴드갭 깔때기 구조를 형성하여 내부에서 표면으로의 광유도 전하 이동을 촉진하여 효율적인 광촉매 산화환원 반응을 일으킨다. . 새로 설계된 이 페로브스카이트는 높은 태양 에너지 변환 효율을 가지며, 가시광선 조사 하에서 백금 조촉매로 최대 약 341 ± 61.7 µmol h -1 까지 향상된 수소 발생률을 나타 냅니다. 연구 결과는 반년 전에 발표되었습니다.

그러나 Hsu 박사 팀은 여기서 멈추지 않았습니다. Hsu 박사는 "우리는 할라이드 페로브스카이트 분자와 아직 알려지지 않은 광전극과 전해질 사이의 계면에 있는 분자 사이의 동적 상호작용을 탐구하고 싶었다"고 말했다. "광전기화학적 수소 생산은 촉매 과정을 수반하기 때문에 반도체-액체 근처에 형성되는 외부 전기장에 의해 촉진되는 적절한 에너지 밴드 구조와 효율적인 전하 분리를 가진 반도체를 광촉매로 사용하는 강렬한 광 흡수에 의해 매우 효과적인 수소 생성이 달성될 수 있습니다. 상호 작용."

엑시톤 전달 역학을 발견하기 위해 팀은 페로브스카이트 분자 사이의 전자-정공 쌍의 에너지 수송을 분석하기 위해 온도 의존 시간 분해 광발광을 활용했습니다. 그들은 또한 페로브스카이트 기반 광전극과 전해질 사이의 고체-액체 계면을 통한 전자 수송의 효율성을 설명하기 위해 용액에서 할라이드 페로브스카이트 물질의 확산 계수 및 전자 전달 속도 상수를 평가했습니다. Hsu 박사는 "우리는 새로 설계된 광촉매가 효율적인 전하 이동의 결과로 고성능 광전기화학 수소 생성을 효과적으로 달성할 수 있는 방법을 시연했습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 이번 실험에서 밴드갭 깔때기 구조의 할라이드 페로브스카이트가 전극과 전해질의 계면 사이에서 보다 효율적인 전하 분리 및 전달 과정을 갖는다는 것도 입증했다. 개선된 전하 분리는 전도성 유리에 광전극으로 증착된 할라이드 페로브스카이트 표면으로 전하 캐리어의 이동을 유도하여 광전극 표면에서 더 빠른 광전기화학적 활성을 허용할 수 있습니다. 결과적으로, 밴드갭 깔때기 구조의 할라이드 페로브스카이트 내부의 효과적인 전하 이동은 광 조사 하에서 향상된 광전류 밀도를 나타냈다.

Hsu 박사는 "광전기화학적 수소 생성 과정에서 이러한 새로운 물질의 계면 역학을 밝히는 것은 중요한 돌파구"라고 설명했습니다. "할라이드 페로브스카이트와 액체 전해질 사이의 계면 상호 작용에 대한 심층적인 이해는 이 분야의 연구원들이 태양 유도 수소 생산을 위한 대안적이고 유용한 물질의 개발을 추가로 조사하기 위한 과학적 기반을 구축할 수 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/