KR101728688B1 - Preparation method of photoelectrode base on tantalum nitride - Google Patents

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민병권
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한성규
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Abstract

The present invention relates to a method for producing a tantalum nitride-based photoelectrode. More specifically, the present invention relates to a technology to produce tantalum nitride (Ta_3N_5) ensuring optimized photoelectrode performance by aging a coating solution which contains a tantalum precursor, and also to apply the same to a tantalum nitride-based photoelectrode.

Description

질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법{Preparation method of photoelectrode base on tantalum nitride}[0001] The present invention relates to a photoelectrode based on tantalum nitride,

본 발명은 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징(aging) 처리를 통하여, 광촉매 성능이 최적화된 질화탄탈륨(Ta3N5)을 제조하고, 이를 질화탄탈륨 기반의 광전극에 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a tantalum nitride-based photoelectrode, and more particularly, to a method of manufacturing a tantalum nitride-based photoelectrode using a tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) film having optimized photocatalytic performance through an aging treatment of a coating solution containing a tantalum precursor And a technique for applying the same to a tantalum nitride-based optical electrode.

광촉매(photocatalysis)란 태양광을 비롯한 다양한 광에 의해 화학반응을 촉진시켜 촉매반응을 하는 물질을 뜻한다. 식물의 엽록소에서 일어나는 광합성이 바로 대표적인 광촉매 시스템(photocatalysis system)이라고 할 수 있다. 광촉매 시스템으로는 물을 분해하여 산소와 수소를 생산하는 물분해(water splitting), CO2를 이용하여 CO, 개미산 등 다양한 탄소화합물을 생산하는 CO2 저감법(CO2 reduction), 인체에 유해한 유기물들을 분해하는 광분해(photo degradation) 등이 있다. Photocatalysis refers to a substance that catalyzes a chemical reaction by a variety of light sources, including sunlight. Photosynthesis occurring in the chlorophyll of a plant is a representative photocatalysis system. A photocatalytic system is water splitting to produce oxygen and hydrogen by decomposition of water (water splitting), CO 2 reduction method (CO 2 reduction) by using a CO 2 production of various carbon compounds such as CO, formic acid, harmful organic substances to the human body And photodegradation which decomposes the polymer.

이러한 광촉매 시스템은 외부에서 에너지를 얻지 않고 태양광만을 이용하여 독자적으로 작용을 하는 시스템으로, 여기에 사용되는 광촉매 또한 인체에 무해하고 특정 조건하에 재사용이 가능하기 때문에 차세대 청정에너지원이라 할 수 있다. 특히 물분해는 다음과 같은 식에 의해 물을 분해하여 수소가스를 생산한다.This photocatalytic system is a system that exerts its own action by using only sunlight without obtaining energy from the outside. Since the photocatalyst used here is harmless to the human body and can be reused under specific conditions, it can be considered as a next generation clean energy source. In particular, water decomposition produces hydrogen gas by decomposing water by the following equation.

H2O → 1/2O2 + H2 (△G = 237 KJ/mol)H 2 O → 1 / 2O 2 + H 2 (ΔG = 237 KJ / mol)

물분해는 태양광을 흡수하여 전자가 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 들떠 반응을 일으키는 광촉매를 필요로 한다. 광촉매는 값이 저렴하고 인체에 무해하고 안정성이 뛰어나야 하며, 물과 직접적으로 반응하는 경우가 많기 때문에 친수성이어야 한다.Water decomposition requires a photocatalyst that absorbs sunlight, causing electrons to exude from the valence band to the conduction band. The photocatalyst should be hydrophilic because it is inexpensive, harmless to the human body, excellent in stability, and often reacts directly with water.

자외선광 하에서 우수한 물분해 활성을 나타내는 광촉매로는 K4Nb6O17, BaTiO4, NaTaO3, La2Ti2O7 등이 있으며, 특히 층상 페롭스카이트 구조를 가지는 La2Ti2O7는 독특한 전자구조를 가짐으로 인해 뛰어난 활성을 보인다(비특허문헌 1). 그럼에도 불구하고 광촉매를 이용한 물분해 기술이 실용적인 관점에서 적용되기 위해서는, 가시광 영역의 빛을 잘 흡수할 수 있는 보다 활성이 우수한 광촉매 및 광전극의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 특히, 광촉매 물질을 전극 형태로 개발하게 되면, 산화와 환원 반응이 각각 일어나게 되어 물분해에서 생성되는 수소와 산소 기체의 분리가 용이하다. 또한, 태양전지 등과 같은 신재생에너지로부터 생성된 전기에너지와의 융합이 가능하여 높은 광전환 효율을 달성하는데 효과적이다.A photocatalyst which exhibits excellent water-splitting activity under ultraviolet light is K 4 Nb 6 O 17, BaTiO 4, NaTaO 3, La 2 Ti 2 O 7 and the like, in particular La 2 Ti 2 O 7 having a layered perovskite structure, And exhibits excellent activity due to its unique electronic structure (Non-Patent Document 1). Nevertheless, in order to apply the water decomposition technique using the photocatalyst from a practical viewpoint, development of photocatalysts and photoelectrodes having better activity for absorbing light in the visible light region is required. Particularly, when the photocatalyst material is developed in the form of an electrode, oxidation and reduction reactions occur separately, and it is easy to separate hydrogen and oxygen gas generated in water decomposition. In addition, it is possible to fuse with electric energy generated from renewable energy such as solar cells, and is effective for achieving high light conversion efficiency.

가시광 활성을 가지는 광전극 물질로 금속 질화물이 많은 관심을 받고 있으나, 금속 산화물에 비해 다양한 합성법의 개발이 한계가 있으며, 합성되더라도 성능이 떨어지는 단점이 있어 성능이 향상된 질화물의 합성법 개발이 요구 되고 있다. 질화탄탈륨의 경우에는 애노다이징 방법을 기반으로하는 광전극 제조법이 개발된 바 있으나, 제조 과정에서 전해질 용액으로 불산을 사용하는 등 안전의 문제가 있어, 새로운 광전극 제조법의 개발이 요구되고 있다. Although metal nitride is attracting much attention as a photoelectrode material having visible light activity, development of a variety of synthesis methods compared with metal oxides is limited, and the performance is lowered even when it is synthesized. Therefore, it is required to develop a nitride synthesis method with improved performance. In the case of tantalum nitride, a photoelectrode manufacturing method based on anodizing method has been developed, but there is a problem of safety such as using hydrofluoric acid as an electrolytic solution in the manufacturing process, and development of a new method of manufacturing a photoelectrode is required.

따라서, 본 발명자는 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징(aging) 처리를 통하여, 광촉매전극 성능이 최적화된 질화탄탈륨(Ta3N5)을 제조할 수 있으면, 이를 이용하여 광전기화학적 성능이 우수한 질화탄탈륨 기반의 광전극으로 응용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Therefore, the present inventors have found that if tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) can be produced by the aging treatment of a coating solution containing a tantalum precursor, and the performance of the photocatalyst electrode is optimized, The present invention can be applied to a tantalum-based optical electrode.

비특허문헌 1. Hwang, Dong Won, et al. J. Catal. 193.1 (2000): 40-48.Non-Patent Document 1. Hwang, Dong Won, et al. J. Catal. 193.1 (2000): 40-48.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징(aging) 처리를 통하여, 광촉매전극 성능이 최적화된 질화탄탈륨(Ta3N5)을 포함하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) thin film having optimized photocatalytic electrode performance through an aging treatment of a coating solution containing a tantalum precursor The present invention also provides a method for manufacturing a tantalum nitride-based optical electrode.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 (a) 탄탈륨 전구체 용액, 유기바인더 및 유기용매를 혼합한 혼합용액을 에이징(aging) 처리하는 단계; (b) 상기 에이징 처리된 혼합용액을 기판 상에 코팅시켜 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 박막을 산화시키는 단계; 및 (d) 상기 산화된 박막을 질소화 처리하여 기판 상에 질화탄탈륨 박막이 코팅된 광전극을 형성하는 단계;를 포함하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) aging a mixed solution of a tantalum precursor solution, an organic binder, and an organic solvent; (b) coating the aging-treated mixed solution on a substrate to form a thin film; (c) oxidizing the thin film; And (d) nitrating the oxidized thin film to form a photoelectrode coated with a tantalum nitride thin film on the substrate.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 에이징은 40-70 ℃에서 10 내지 300 분 동안 수행될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the aging may be performed at 40-70 DEG C for 10 to 300 minutes.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 에이징은 40 내지 80 분 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the aging may be performed for 40 to 80 minutes.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계 이전에 탄탈륨 전구체 용액에 크롬 전구체, 망간 전구체, 코발트 전구체, 니켈 전구체, 로듐 전구체, 및 몰리브덴 전구체 중에서 선택되는 1종 이상의 전구체를 탄탈륨 전구체 대비 1-10 원자퍼센트로 첨가하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, at least one precursor selected from the group consisting of a chromium precursor, a manganese precursor, a cobalt precursor, a nickel precursor, a rhodium precursor, and a molybdenum precursor is added to the tantalum precursor solution before the step (a) Lt; RTI ID = 0.0 > 1-10 < / RTI >

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계는 300-500 ℃에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (c) may be carried out at 300-500 ° C.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (d) 단계는 700-1000 ℃에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (d) may be performed at 700-1000 ° C.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 탄탈륨 전구체의 형태는 염화물, 브롬화물, 요오드화물, 질산염, 아질산염, 황산염, 아세트산염, 아황산염, 아세틸아세토네이트염 및 수산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 형태일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the form of the tantalum precursor may be at least one form selected from a chloride, a bromide, an iodide, a nitrate, a nitrite, a sulfate, an acetate, a sulfite, an acetylacetonate salt and a hydroxide have.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기바인더는 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 폴리비닐알콜 및 폴리비닐부티랄 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the organic binder may be at least one selected from ethyl cellulose, methyl cellulose, carboxy cellulose, nitrocellulose, methacrylic acid ester, acrylic acid ester, polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral .

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유기용매는 알파-터피놀, 물, 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈, N,N'-디메틸포름아미드, N,N'-디에틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-메톡시프로판올, 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸렌글리콜, 피리딘, N-비닐피롤리돈, 메틸에틸케톤(부탄온), 포름산, 에틸아세테이트 및 아크릴로니트릴 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the organic solvent is selected from the group consisting of alpha-terpineol, water, acetone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N'-dimethylformamide, (N, N'-dimethylacetamide, isopropyl alcohol, methanol, ethanol, butanol, 2-ethoxyethanol, 2-butoxyethanol, 2-methoxypropanol, tetrahydrofuran It may be at least one selected from ethylene glycol, pyridine, N-vinylpyrrolidone, methyl ethyl ketone (butanone), formic acid, ethyl acetate and acrylonitrile.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기판의 재질은 탄탈륨, 석영, 알루미나 및 티타늄 중에서 선택되는 1종의 재질일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the material of the substrate may be one material selected from tantalum, quartz, alumina, and titanium.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 질화탄탈륨 박막의 두께는 200-400 nm일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the thickness of the tantalum nitride thin film may be 200-400 nm.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 질화탄탈륨 입자의 크기는 1-50 nm일 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, the size of the tantalum nitride particles may be 1-50 nm.

본 발명에 따르면, 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징(aging) 처리를 통하여, 광촉매전극 성능이 최적화된 질화탄탈륨(Ta3N5)을 포함하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a tantalum nitride-based photoelectrode comprising tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) with optimized photocatalytic electrode performance through an aging treatment of a coating solution comprising a tantalum precursor .

도 1은 본 발명의 실시예 1로부터 Ta3N5 기반의 광전극이 제조되는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 X-선 회절(XRD) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 광전기화학적 특성을 측정하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 광전기화학적 물분해 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의, 전해질 상에 희생시약이 존재할 경우의, 광전기화학적 물분해 특성을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a process of manufacturing a Ta 3 N 5 -based photoelectrode according to Example 1 of the present invention.
2 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) characteristics of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared according to Example 1 of the present invention.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared according to Example 1 of the present invention.
4 is a schematic view illustrating a process of measuring photoelectrochemical characteristics of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode fabricated according to Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing the photoelectrochemical decomposition characteristics of the Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing photoelectrochemical decomposition characteristics of Ta 3 N 5 -based photoelectrodes prepared from Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention in the presence of a sacrificial reagent on an electrolyte.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.In the following, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 (a) 탄탈륨 전구체 용액, 유기바인더 및 유기용매를 혼합한 혼합용액을 에이징(aging) 처리하는 단계; (b) 상기 에이징 처리된 혼합용액을 기판 상에 코팅시켜 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 박막을 산화시키는 단계; 및 (d) 상기 산화된 박막을 질소화 처리하여 기판 상에 질화탄탈륨 박막이 코팅된 광전극을 형성하는 단계;를 포함하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) aging a mixed solution obtained by mixing a tantalum precursor solution, an organic binder, and an organic solvent; (b) coating the aging-treated mixed solution on a substrate to form a thin film; (c) oxidizing the thin film; And (d) nitrating the oxidized thin film to form a photoelectrode coated with a tantalum nitride thin film on the substrate.

본 발명에 따른 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법은 기판 상에 코팅되는, 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징 처리를 통하여 광전기화학적 성능이 우수한 광촉매를 제조할 수 있다.The method of manufacturing a tantalum nitride-based optical electrode according to the present invention can produce a photocatalyst having excellent photoelectrochemical performance through aging treatment of a coating solution containing a tantalum precursor coated on a substrate.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 에이징은 40-70 ℃에서 10 내지 300 분 동안 수행될 수 있다. 특히, 상기 온도 및 시간 범위에서 에이징을 수행하여 제조된 질화탄탈륨 기반의 광전극의 경우에는 기판 상에 질화탄탈륨 박막이 벗겨진 부분 없이 고르게 코팅되었고, 반면 상기 언급된 온도 및 시간 범위를 벗어나 에이징을 수행한 경우에는 합성된 박막의 광전기화학적 촉매 성능이 떨어지는 것을 확인하였다.According to an embodiment of the present invention, the aging may be performed at 40-70 DEG C for 10 to 300 minutes. In particular, in the case of the tantalum nitride-based photoelectrode fabricated by performing the aging in the temperature and time range, the tantalum nitride thin film was uniformly coated on the substrate without being peeled off, while the aging was performed outside the temperature and time range mentioned above It was confirmed that the photoelectrochemical catalytic performance of the synthesized thin film was inferior.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 에이징은 상기 온도 범위에서 40 내지 80 분 동안 수행될 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위에서 제조된 질화탄탈륨 기반의 광전극의 경우, X-선 회절분석 결과 Ta3N5 이외의 다른 물질의 패턴은 관찰되지 않아, Ta3N5의 결정구조가 유일하게 합성됨을 확인하였다. 만일 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 Ta3N5 이외의 결정구조를 갖는 물질이 포함되어 광촉매 성능에 손실을 보게 됨을 확인하였다. 또한, 가역 수소 전극(reversible hydro genelectrode, RHE) 1.23 V 기준으로 10-300 분 동안 에이징 처리한 촉매의 광전류 밀도 값은 유사하지만, 그 보다 작은 전압을 인가한 경우에는 특히, 상기 온도 범위에서 40-80 분 동안 에이징 처리한 촉매의 성능이 현저히 우수함을 확인하였다.According to another embodiment of the present invention, the aging may be performed in the temperature range for 40 to 80 minutes. In the case of the tantalum nitride-based photoelectrode fabricated at the above temperature and time range, the X-ray diffraction analysis showed that no pattern other than Ta 3 N 5 was observed and the crystal structure of Ta 3 N 5 was uniquely synthesized Respectively. If the temperature and time range are out of the range, Ta 3 N 5 It was confirmed that the photocatalyst had a loss of photocatalytic performance due to the inclusion of a substance having a crystal structure other than the photocatalyst. In addition, the photocurrent density values of the catalysts aged for 10-300 minutes on a reversible hydrogen electrode (RHE) 1.23 V are similar, but when a smaller voltage is applied, the 40- It was confirmed that the performance of the catalyst aged for 80 minutes was remarkably excellent.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계 이전에 탄탈륨 전구체 용액에 크롬 전구체, 망간 전구체, 코발트 전구체, 니켈 전구체, 로듐 전구체, 및 몰리브덴 전구체 중에서 선택되는 1종 이상의 전구체를 탄탈륨 전구체 대비 1-10 원자퍼센트로 첨가하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 탄탈륨 전구체 용액에 상기 전이금속 전구체를 더욱 첨가하여 질화탄탈륨 구조 내에 도핑함으로써 광촉매의 효능을 향상시키는 효과가 있다.According to another embodiment of the present invention, at least one precursor selected from the group consisting of a chromium precursor, a manganese precursor, a cobalt precursor, a nickel precursor, a rhodium precursor, and a molybdenum precursor is added to the tantalum precursor solution before the step (a) -10 atomic percent, based on the total weight of the composition. The transition metal precursor is further added to the tantalum precursor solution and doped in the tantalum nitride structure to improve the photocatalytic effect.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계는 300-500 ℃, (d) 단계는 700-1000 ℃에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step (c) may be performed at 300-500 ° C, and the step (d) may be performed at 700-1000 ° C.

구체적인 예로, 상기 (a) 단계에서 에이징 처리된 혼합용액을 회전도포기를 이용하여 기판 상에 코팅시킨 후, 공기 중에서 300-500 ℃, 바람직하게는 350-450 ℃에서 30-180 분, 바람직하게는 50-70 분 동안 어닐링(annealing)을 수행하여 탄탈륨 금속으로 산화시키고, 실온에서 냉각시킨 후, 암모니아 분위기 하의 전기로에서 700-1000 ℃, 바람직하게는 850-950 ℃에서 30-180 분, 바람직하게는 110-130 분 동안 질소화 처리하여 상기 산화된 탄탈륨 금속을 질화탄탈륨으로 변환시킴으로써, 기판 상에 질화탄탈륨 박막이 코팅된 광전극을 형성할 수 있다. As a specific example, the mixed solution aged in the step (a) is coated on a substrate using a rotary evaporator, and then dried in air at 300-500 ° C, preferably 350-450 ° C for 30-180 minutes, Is annealed for 50-70 minutes to oxidize to tantalum metal, cooled at room temperature and then heated at 700-1000 ° C, preferably 850-950 ° C for 30-180 minutes in an electric furnace under an ammonia atmosphere, May convert the oxidized tantalum metal to tantalum nitride by nitrogenating for 110-130 minutes to form a photoelectrode coated with a tantalum nitride thin film on the substrate.

또한, 상기 탄탈륨 전구체의 형태는 염화물(chloride), 브롬화물(bromide), 요오드화물(iodide), 질산염(nitrate), 아질산염(nitrite), 황산염(sulfate), 아세트산염(acetate), 아황산염(sulfite), 아세틸아세토네이트염(acetylacetonate) 및 수산화물(hydroxide) 중에서 선택되는 1종 이상의 형태일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로는 염화물을 사용할 수 있다.The tantalum precursor may be in the form of chloride, bromide, iodide, nitrate, nitrite, sulfate, acetate, sulfite, , Acetylacetonate salt, and hydroxide, but the present invention is not limited thereto. Specifically, a chloride can be used.

상기 유기바인더는 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 폴리비닐알콜 및 폴리비닐부티랄 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 에틸셀룰로오스를 사용할 수 있다.The organic binder may be at least one selected from the group consisting of ethyl cellulose, methyl cellulose, carboxy cellulose, nitrocellulose, methacrylic acid ester, acrylic acid ester, polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral. Preferably, ethylcellulose can be used.

상기 유기용매는 알파-터피놀, 물, 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈, N,N'-디메틸포름아미드, N,N'-디에틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-메톡시프로판올, 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸렌글리콜, 피리딘, N-비닐피롤리돈, 메틸에틸케톤(부탄온), 포름산, 에틸아세테이트 및 아크릴로니트릴 중에서 선택되는 1종 이상과 같은 임의의 수용매 또는 극성 유기용매를 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 알파-터피놀을 사용할 수 있다.The organic solvent may be selected from the group consisting of alpha-terpineol, water, acetone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N'-dimethylformamide, N, N'-diethylformamide, dimethylsulfoxide, (2-ethoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-methoxypropanol, tetrahydrofuran (THF), ethylene glycol, pyridine, N-vinylpyrrolidone Any water solvent or polar organic solvent such as at least one selected from the group consisting of water, methyl ethyl ketone (butanone), formic acid, ethyl acetate, and acrylonitrile may be used. Alpha-terpineol may preferably be used.

또한, 상기 기판의 재질은 탄탈륨, 석영, 알루미나 및 티타늄 중에서 선택되는 1종의 재질을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는 탄탈륨 금속 기판을 사용할 수 있다.Also, the material of the substrate may be one material selected from tantalum, quartz, alumina, and titanium, but is not limited thereto. Preferably, a tantalum metal substrate can be used.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 질화탄탈륨 박막의 두께는 200-400 nm, 바람직하게는 250-350 nm일 수 있고, 상기 질화탄탈륨 입자의 크기는 1-50 nm, 바람직하게는 25-35 nm일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the thickness of the tantalum nitride thin film may be 200-400 nm, preferably 250-350 nm, and the size of the tantalum nitride particles is 1-50 nm, preferably 25- 35 nm.

이하에서는 본 발명에 따른 제조예 및 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, production examples and embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예 1 내지 4: TaExamples 1 to 4: 33 NN 55 기반의 광전극의 제조 Based photo-electrode fabrication

탄탈륨클로라이드 1.0029 g을 2.5 mL 에탄올에 용해시켜 전구체 용액을 준비한 후, 다른 용기에 에틸셀룰로오스 0.25 g 및 알파-터피놀 2.5 mL를 5.0 mL 에탄올에 용해시킨 용액을 상기 전구체 용액과 혼합시켜 코팅용액을 제조하였다. 그 후, 코팅용액을 50 ℃의 oil bath에서 일정 시간 에이징(aging) 처리한 후, 실온까지 냉각시켜 에이징 용액을 수득하였다.1.0029 g of tantalum chloride was dissolved in 2.5 mL of ethanol to prepare a precursor solution. Then, a solution prepared by dissolving 0.25 g of ethyl cellulose and 2.5 mL of alpha-terpineol in 5.0 mL of ethanol in another container was mixed with the precursor solution to prepare a coating solution Respectively. Thereafter, the coating solution was aged in an oil bath at 50 캜 for a certain period of time, and then cooled to room temperature to obtain an aging solution.

상기 에이징 용액을 탄탈륨 금속 기판 상에 회전도포기를 이용하여 2000 rpm의 속력으로 30 초 동안 코팅시킨 후 핫플레이트에서 350 ℃로 10 분 동안 열처리 하였다. 상기 코팅 및 열처리과정을 3 회 반복 수행하였으며, 마지막 열처리 이후에는 전기로에서 공기 중에서, 400 ℃로 1 시간 동안 어닐링(annealing)을 진행하여 탄탈륨 금속을 산화시켰다.The aging solution was coated on a tantalum metal substrate at a speed of 2000 rpm for 30 seconds using a rotary evaporator, and then heat-treated at 350 ° C for 10 minutes on a hot plate. The coating and the heat treatment were repeated three times. After the last heat treatment, annealing was performed in an electric furnace at 400 ° C for 1 hour in the air to oxidize the tantalum metal.

그 다음, 실온으로 냉각시킨 후 암모니아 기체가 100 sccm으로 흐르는 전기로에서 900 ℃로 2 시간 동안 질소화 처리하여 질화물로 변환하여 Ta3N5 기반의 광전극을 제조하였다. 이때 전기로의 승온 온도는 5 ℃/min으로 하였으며, 반응 후에는 서서히 실온으로 자연냉각시켰다[도 1 참조].Then, after cooling to room temperature, a Ta 3 N 5 -based photoelectrode was prepared by nitriding at 900 ° C. for 2 hours in an electric furnace in which ammonia gas flows at 100 sccm, thereby converting into nitride. At this time, the temperature of the electric furnace was raised to 5 ° C / min. After the reaction, the furnace was gradually cooled to room temperature (see FIG. 1).

상기 에이징(aging) 시간을 1, 2, 3 및 4 시간으로 하여 각각 실시에 1 내지 4로 하였다.
The aging time was 1, 2, 3, and 4 hours, respectively, and was set to 1 to 4 in the examples.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 코팅용액을 에이징 처리하지 않고, 바로 탄탈륨 금속 기판 상에 코팅시켜 Ta3N5 기반의 광전극을 제조하였다.
A Ta 3 N 5 -based photoelectrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the coating solution was directly coated on a tantalum metal substrate without being subjected to an aging treatment.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 코팅용액을 사용하지 않고 다결정질 탄탈륨(Ta) 호일만을 사용하여 어닐링 및 질소화 처리하여 광전극을 제조하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the polycrystalline tantalum (Ta) foil was annealed and nitrided without using the coating solution to prepare a photoelectrode.

도 2는 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 X-선 회절(XRD) 특성을 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) characteristics of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared according to Example 1 of the present invention.

도 2를 참조하면, 실시예 1로부터 제조된Ta3N5 기반의 광전극의 경우, Ta3N5 이외의 다른 물질의 패턴은 관찰되지 않아, Ta3N5의 결정구조가 유일하게 합성되었다는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 40-80 분의 에이징 처리를 수행하여 제조된 질화탄탈륨 기반의 광전극의 경우 Ta3N5의 결정구조가 유일하게 합성됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the case of the Ta 3 N 5 -based photoelectrode fabricated in Example 1, a pattern of a material other than Ta 3 N 5 was not observed, indicating that the crystal structure of Ta 3 N 5 was uniquely synthesized And it can be confirmed that the Ta 3 N 5 crystal structure is uniquely synthesized in the case of the tantalum nitride-based photoelectrode manufactured by aging treatment for 40-80 minutes.

도 3은 본 발명의 실시예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared according to Example 1 of the present invention.

도 3을 참조하면, 탄탈륨 금속 기판 상에 Ta3N5 박막이 벗겨진 부분 없이, 고르게 코팅되어 있음을 확인할 수 있고, 합성된 Ta3N5가 약 20 nm 정도의 나노사이즈의 입자 모양을 가지고, 약 300 nm 두께의 박막을 형성함을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 3, it can be seen that the Ta 3 N 5 thin film was uniformly coated on the tantalum metal substrate without being peeled off. The synthesized Ta 3 N 5 had a nano-sized particle shape of about 20 nm, It can be confirmed that a thin film having a thickness of about 300 nm is formed.

도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의 광전기화학적 물분해 특성을 나타낸 그래프, 도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1로부터 제조된 Ta3N5 기반의 광전극의, 전해질 상에 희생시약이 존재할 경우의, 광전기화학적 물분해 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing photoelectrochemical water decomposition characteristics of Ta 3 N 5 -based photoelectrodes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention, FIG. 3 is a graph showing photoelectrochemical decomposition characteristics of a Ta 3 N 5 -based photoelectrode prepared from Comparative Example 1 in the presence of a sacrificial reagent on an electrolyte. FIG.

광전기화학적 특성을 측정하기 위해서 모사 태양광을 조사하면서 물산화 반응의 촉매 특성을 확인하였다. 1M 포타슘 하이드로옥사이드 수용액을 준비하고, 제조한 Ta3N5 전극을 작업전극, Pt 기판을 상대 전극, Ag/AgCl(in 3M KCl) 전극을 기준 전극으로 사용하였다. 모든 광전기화학 분석은 일정전위기를 사용하여 측정하였으며, 빛을 투과시키기 위해서 석영(quartz) 소재로 된 1구획 광전기화학 전지 내에서 수행하였다. In order to measure photoelectrochemical properties, the catalytic properties of the oxidation reaction were investigated by irradiating the simulated sunlight. A 1M potassium hydroxide aqueous solution was prepared. A Ta 3 N 5 electrode was used as a working electrode, a Pt substrate was used as a counter electrode, and an Ag / AgCl (in 3M KCl) electrode was used as a reference electrode. All photoelectrochemical analyzes were carried out in a one-piece photoelectrochemical cell made of quartz to measure light with a certain threshold voltage.

솔라시뮬레이터(solar simulator)를 이용하여 태양광을 모사하였으며, 측정 전에 실리콘 포토다이오드(photodiode)를 이용하여 태양광의 세기는 1Sun = 100 mW/cm2이 되도록 보정하였다[도 4 참조]. 태양광의 조사 유무에 따른 광전류와 암전류(dark current) 값을 측정하기 위해서 가리개(shutter)를 이용하여 빛을 조사하고 차단하는 chopping 조건에서 Ta3N5 광전극의 전류를 측정하였다. 빛이 chopping 되는 동안 선형주사전위법을 이용하여 가해준 전압 대비 전류의 양을 측정하였다. 광전기화학 특성에 측정된 모든 전위값은 하기 수학식 1을 이용하여 가역 수소 전극(RHE) 대비 값으로 변환하였으며, 실험 조건에서의 전해질의 pH는 13.8 이었다.
Solar light was simulated using a solar simulator, and the solar light intensity was corrected to 1 Sun = 100 mW / cm 2 using a silicon photodiode (see FIG. 4) before measurement. In order to measure the photocurrent and dark current according to the presence or absence of solar irradiation, the current of the Ta 3 N 5 photoelectrode was measured under a chopping condition in which a light was irradiated and blocked by using a shutter. While the light was chopped, the amount of current to the applied voltage was measured using the linear main prior art method. All potential values measured in the photoelectrochemical properties were converted to values relative to the reversible hydrogen electrode (RHE) using the following equation (1), and the pH of the electrolyte at the experimental condition was 13.8.

[수학식 1][Equation 1]

E(RHE 대비) = E(Ag/AgCl 대비) + 0.209 + 0.0591 × pH
E (relative to RHE) = E (vs. Ag / AgCl) + 0.209 + 0.0591 x pH

또한, Ta3N5 기반의 광전극의 광전기화학적 특성을 측정하기 위해서, 전해질 용액에 0.1 M 포타슘 헥사시아노페레이트(II) 및 0.1 mM 포타슘 헥사시아노페레이트(III)를 희생시약(hole scavenger)으로 첨가하고 광전류를 측정하였다. hole scavenger를 사용하면 Ta3N5 표면에서의 물산화 반응 대신 scavenger의 산화반응이 빠르게 일어나기 때문에 Ta3N5 의 빛 흡수효율 및 촉매물질 내의 전하분리효율을 측정하는 진단 측정법이 될 수 있다.
In order to measure the photoelectrochemical properties of the Ta 3 N 5 -based photoelectrode, 0.1 M potassium hexacyanophelate (II) and 0.1 mM potassium hexacyanopyrate (III) were added to the electrolyte solution, scavenger) and photocurrent was measured. When using the hole scavenger can be a diagnostic assay for measuring the charge separation efficiency in the surface of Ta 3 N 5 C & T reaction Instead of the oxidation reaction of the scavenger to occur rapidly Ta 3 N 5, and the light absorption efficiency of the catalytic material in the.

도 5에서 볼 수 있듯이, 에이징 시간에 따른 Ta3N5 기반의 광전극의 광전류 밀도를 RHE 1.23 V에서 비교한 결과, 1 시간 동안 에이징 처리한 실시에 1의 경우에는 에이징 처리하지 않은 비교예 1 및 2 시간 동안 에이징 처리한 실시예 2에 비하여 2 배 이상의 높은 광전류가 측정되었다. 또한, 3 및 4 시간 동안 에이징 처리한 실시예 3 내지 4의 경우에는 실시예 2에 비하여 광전류가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통하여, 에이징 처리 시간이 1 시간일 경우 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
As can be seen from FIG. 5, the photocurrent density of the Ta 3 N 5 -based photoelectrode according to the aging time was compared at RHE 1.23 V, and as a result of the aging treatment for 1 hour, the comparative example 1 And a photocurrent higher than twice as high as in Example 2 in which aging treatment was performed for 2 hours was measured. In addition, in Examples 3 to 4 in which aging treatment was performed for 3 and 4 hours, it was confirmed that the photocurrent decreased as compared with Example 2. As a result, it can be seen that the best performance is obtained when the aging treatment time is 1 hour.

도 6을 참조하면, RHE 1.23 V 기준으로 1 시간(실시예 1), 2 시간(실시예 2) 및 3 시간(실시예 3) 에이징 처리한 광전극의 광전류밀도 값은 유사하지만, 그보다 낮은 전압을 인가하는 경우에는 1 시간 동안 에이징 처리한 광전극(실시예 1)의 성능이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
6, the photocurrent density values of the photoelectrode subjected to aging treatment for 1 hour (Example 1), 2 hours (Example 2), and 3 hours (Example 3) based on RHE 1.23 V are similar to each other, It can be confirmed that the performance of the photoelectrode (Example 1) subjected to the aging treatment for one hour is excellent.

한편, 대조군으로 준비한 비교예 2의 경우에는 탄탈륨(Ta) 코팅용액 없이 다결정질의 탄탈륨(Ta) 호일만을 사용하여, 400 ℃에서 1 시간 동안 어닐링(anealling) 및 암모니아 기체가 100 sccm으로 흐르는 전기로에서 900 ℃로 2 시간 동안 질소화 처리하였으나, Ta3N5가 얻어지지 않았고, 광전류 또한 측정되지 않았음을 확인하였다.
On the other hand, in the case of Comparative Example 2 prepared as a control group, only polycrystalline tantalum (Ta) foil was used without a tantalum (Ta) coating solution, annealing was performed at 400 ° C. for 1 hour, and 900 ° C. in an electric furnace in which ammonia gas flowed at 100 sccm Deg.] C for 2 hours, but Ta 3 N 5 was not obtained, and photocurrent was not measured.

그러므로 본 발명에 따르면, 탄탈륨 전구체를 포함하는 코팅용액의 에이징(aging) 처리를 통하여, 광촉매 성능이 최적화된 질화탄탈륨(Ta3N5)를 제공할 수 있으며, 이를 이용하여 광전기화학적 성능이 우수한 질화탄탈륨 기반의 광전극으로 응용할 수 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to provide tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) with optimized photocatalytic performance through an aging treatment of a coating solution containing a tantalum precursor, It can be applied as a tantalum-based optical electrode.

Claims (12)

(a) 탄탈륨 전구체 용액, 유기바인더 및 유기용매를 혼합한 혼합용액을 에이징(aging) 처리하는 단계;
(b) 상기 에이징 처리된 혼합용액을 기판 상에 코팅시켜 박막을 형성하는 단계;
(c) 상기 박막을 산화시키는 단계; 및
(d) 상기 산화된 박막을 질소화 처리하여 기판 상에 질화탄탈륨 박막이 코팅된 광전극을 형성하는 단계;를 포함하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법으로서,
상기 에이징은 40-70 ℃에서 40 내지 80 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
(a) aging a mixed solution obtained by mixing a tantalum precursor solution, an organic binder and an organic solvent;
(b) coating the aging-treated mixed solution on a substrate to form a thin film;
(c) oxidizing the thin film; And
(d) nitrating the oxidized thin film to form a photoelectrode coated with a thin film of tantalum nitride on the substrate,
Wherein the aging is performed at 40-70 DEG C for 40-80 minutes.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에 탄탈륨 전구체 용액에 크롬 전구체, 망간 전구체, 코발트 전구체, 니켈 전구체, 로듐 전구체, 및 몰리브덴 전구체 중에서 선택되는 1종 이상의 전구체를 탄탈륨 전구체 대비 1-10 원자퍼센트로 첨가하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Adding at least one precursor selected from a chromium precursor, a manganese precursor, a cobalt precursor, a nickel precursor, a rhodium precursor, and a molybdenum precursor to the tantalum precursor solution in an amount of 1-10 atomic percent relative to the tantalum precursor before the step (a) The method of manufacturing a tantalum nitride based optical electrode according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 300-500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) is performed at 300-500 < 0 > C.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계는 700-1000 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (d) is performed at 700-1000 < 0 > C.
제1항에 있어서,
상기 탄탈륨 전구체의 형태는 염화물, 브롬화물, 요오드화물, 질산염, 아질산염, 황산염, 아세트산염, 아황산염, 아세틸아세토네이트염 및 수산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 형태인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the tantalum precursor is in the form of one or more selected from the group consisting of chloride, bromide, iodide, nitrate, nitrite, sulfate, acetate, sulfite, acetylacetonate and hydroxide. Gt;
제1항에 있어서,
상기 유기바인더는 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 메타크릴산에스테르, 아크릴산에스테르, 폴리비닐알콜 및 폴리비닐부티랄 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic binder is at least one selected from the group consisting of ethyl cellulose, methyl cellulose, carboxy cellulose, nitrocellulose, methacrylic acid ester, acrylic acid ester, polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral. Way.
제1항에 있어서,
상기 유기용매는 알파-터피놀, 물, 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈, N,N'-디메틸포름아미드, N,N'-디에틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 2-메톡시프로판올, 테트라하이드로퓨란(THF), 에틸렌글리콜, 피리딘, N-비닐피롤리돈, 메틸에틸케톤(부탄온), 포름산, 에틸아세테이트 및 아크릴로니트릴 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
The organic solvent may be selected from the group consisting of alpha-terpineol, water, acetone, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N'-dimethylformamide, N, N'-diethylformamide, dimethylsulfoxide, (2-ethoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-methoxypropanol, tetrahydrofuran (THF), ethylene glycol, pyridine, N-vinylpyrrolidone Wherein at least one selected from the group consisting of silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver, silver,
제1항에 있어서,
상기 기판의 재질은 탄탈륨, 석영, 알루미나 및 티타늄 중에서 선택되는 1종의 재질인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the material of the substrate is one material selected from the group consisting of tantalum, quartz, alumina, and titanium.
제1항에 있어서,
상기 질화탄탈륨 박막의 두께는 200-400 nm인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the tantalum nitride thin film is 200-400 nm.
제1항에 있어서,
상기 질화탄탈륨 입자의 크기는 1-50 nm인 것을 특징으로 하는 질화탄탈륨 기반의 광전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the size of the tantalum nitride particles is 1-50 nm.
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