현재 나노기술 - 보도 자료: 산화아연 나노파고다 어레이 광전극 개발: 광전기화학 물 분해 수소 생산

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(a)(b): 산화아연 나노막대 어레이, (c)(d): 산화아연 나노탑 어레이, (e)(f): 은나노입자로 장식된 산화아연 나노탑 어레이. 위쪽 행에는 표면 이미지가 포함되고 아래쪽 행에는 해당 단면 이미지가 포함됩니다. CREDIT COPYRIGHT (C) 토요하시 공과대학. 판권 소유.

(a)(b): zinc oxide nanorod array, (c)(d): zinc oxide nanopagoda array, (e)(f): silver-nanoparticle-decorated zinc oxide nanopagoda array. The upper row includes surface images, and the lower row includes corresponding cross-sectional images.

신용
COPYRIGHT (C) 토요하시 공과대학. 판권 소유.

요약 :
살펴보기

이집트 석유연구소와 도요하시 공과대학 기능성재료공학연구실 연구팀이 투명전극 위에 독특한 형상의 산화아연 나노탑 어레이를 구축하고 이를 응용한 새로운 고성능 광전극을 개발했다. 은나노입자를 표면으로 끌어올린다. 산화아연 나노탑은 다양한 크기의 육각형 프리즘이 적층되어 있어 많은 계단 구조를 갖는 것이 특징입니다. 또한, 결정 결함이 거의 없고 전자 전도성도 우수합니다. 산화아연 나노파고다 배열 광전극은 표면을 은나노입자로 장식해 가시광선 흡수 특성을 얻어 햇빛 조사 하에서도 작동할 수 있다.

산화아연 나노탑 배열 광전극 개발 : 광전기화학 물 분해 수소 생산

일본 도요하시 | 게시일: 12년 2024월 XNUMX일

세부 정보

태양광을 이용한 광전기화학적 물 분해는 청정에너지를 수소 형태로 생산하는 기술로 활용될 것으로 기대된다. 이 기술의 핵심 재료인 광전극은 높은 태양열 흡수 및 전하 이동 효율 외에도 물 분해 반응에 대한 낮은 과전위를 가져야 합니다. 실용화를 위해서는 이 기술은 희소금속을 주재료로 사용할 수 없고, 제조공정이 산업화되어야 한다. 그러나 이러한 요구 사항을 충족하는 재료는 아직 개발되지 않았습니다.

이에 연구팀은 제조 비용이 저렴하고, 전자 전도성이 높으며, 원료 고갈에 취약하지 않은 산화아연 나노탑 어레이에만 집중했다. 처음에는 산화아연 나노탑 어레이가 좋은 재현성을 가지고 제작하기 어려운 것으로 간주되었습니다. 이 논문의 주 저자이자 3년차 박사 과정 학생인 Marwa Abouelela가 이끄는 팀은 먼저 높은 재현성을 보장하기 위해 합성 프로세스를 최적화했습니다. 얻어진 광전극의 광전기화학적 특성을 평가한 결과, 유사 태양광 조사 하에서 상대적으로 큰 광전류가 나타나는 것이 관찰되었다. 여러 단계에서 낮은 결함 밀도와 높은 표면 화학 반응 활성과 관련된 높은 전하 이동 효율 외에도 전자기장 분석을 통해 나노탑의 독특한 나노 구조가 입사광에 포함된 자외선을 효율적으로 포착할 수 있는 것으로 나타났습니다.

연구팀은 햇빛의 55%를 차지하는 가시광선의 효과적인 활용을 위해 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 은나노입자로 산화아연 나노탑 표면을 장식해 광전류를 약 1.5배 증가시켜 광전기화학적 특성을 더욱 향상시켰다. . 광전류 값의 작용 스펙트럼은 이러한 개선이 주로 은 나노입자의 국부적인 표면 플라즈몬 공명에 의한 가시광선 흡수로 인한 열전자 이동에 기인함을 나타냅니다. 은나노입자의 적용을 최적화함으로써 나노탑 자체의 특성에 대한 악영향을 방지하면서 광전기화학적 특성만 향상시키는 것이 가능해졌습니다.

개발 배경

교신 저자 중 한 명인 Go Kawamura 부교수는 다음과 같이 말했습니다. “산화아연 나노탑은 높은 전하 이동 효율을 활용하여 전자총 이미터에만 적용하는 것이 고려되었습니다. 그러나 구조에는 많은 단계가 있기 때문에 우리의 초기 아이디어는 표면 화학 반응에 대해 매우 활성적이며 광전기 화학 반응을 촉매하는 데 적합할 수 있다는 것이었습니다. 나노탑 제작에 성공한 우리는 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 은나노입자를 적용해 태양광 이용 효율을 향상시키고 전자기장 분석을 통해 효과를 평가했다. 그러나 산화아연 나노탑은 입사광, 특히 자외선을 내부로 포착하는 것으로 밝혀졌습니다. 전혀 예상하지 못한 일이었지만, 이 특성이 광전기화학적 특성 개선에 기여한다는 점에서 다행스러운 발견이었다”고 말했다.

미래 전망

현재 Marwa와 같은 연구실의 학생들은 산화아연 나노탑의 정밀한 구조 제어와 다른 재료를 사용한 표면 장식이 탑의 광전기화학적 특성에 미치는 영향에 대한 조사를 주도하고 있습니다. 산화아연은 광부식되기 쉽기 때문에 장기간 햇빛 조사에 견딜 수 없기 때문에 표면 장식을 통한 내구성 향상에 중점을 두고 있습니다. 높은 광전기화학적 특성과 내구성을 모두 확보한 뒤, 실제 환경(햇빛에 의한 강물이나 바닷물의 분해)에서 물 분해 수소 생산을 진행해 실제 문제를 추출할 계획이다.

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연락처 :
오쿠보 요코
도요하시 공과대학(TUT)
사무실 : 81-532-44-6975

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