KR102027768B1 - Seawater splitting electrode, Method for manufacturing the same, and seawater splitting apparatus - Google Patents

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Abstract

해수 분해 전극, 그 제조 방법 및 해수 분해 장치를 제공한다. 상기 해수 분해 장치는 전원부의 음극과 연결되고, 해수에 침지되어 산소를 생성하는 카운터 전극 및 상기 전원부의 양극과 연결되고, 상기 해수에 침지되고, 빛이 입사되어 수소를 생성하는 워킹 전극을 포함하되, 상기 워킹 전극은 투명 전도체와, 상기 투명 전도체와 결합되고, 커켄달 보이드(Kirkendall void)를 포함하는 산화 코발트 필름을 포함한다.A seawater decomposition electrode, a manufacturing method thereof, and a seawater decomposition apparatus are provided. The seawater decomposition apparatus includes a counter electrode connected to the cathode of the power supply unit, the electrode being immersed in seawater to generate oxygen, and a working electrode connected to the anode of the power supply unit, immersed in the seawater, and light is incident to generate hydrogen. The working electrode includes a transparent conductor and a cobalt oxide film coupled to the transparent conductor and including a Kirkendall void.

Description

해수 분해 전극, 그 제조 방법 및 해수 분해 장치{Seawater splitting electrode, Method for manufacturing the same, and seawater splitting apparatus}Seawater splitting electrode, Method for manufacturing the same, and seawater splitting apparatus

본 발명은 해수 분해 전극, 그 제조 방법 및 해수 분해 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a seawater decomposition electrode, a manufacturing method thereof and a seawater decomposition apparatus.

태양광을 이용한 해수 분해에 의한 수소 발생은 에너지 생성 및 저장을 만족시키는 수소 경제에 매우 유망한 접근이다. 태양광은 고도로 순수한 수소를 발생시켜 오염물 없이 전력을 생성할 수 있다. 담수와 달리, 해수는 본질적으로 25 °C 에서 33.9 mS/cm의 전도 특성 및 pH 6.44의 중성의 성질을 가지고 있다. 따라서, 광전기 화학 전지(photoelectrochemical cell, PECC)를 기반으로 한 해수로부터의 수소 생산은 녹색 경제를 실현하는 방법으로 각광받고 있다.Hydrogen generation by seawater decomposition using sunlight is a very promising approach to hydrogen economy to satisfy energy generation and storage. Sunlight can generate highly pure hydrogen and generate electricity without contaminants. Unlike fresh water, sea water has inherently a conductivity of 33.9 mS / cm at 25 ° C and a neutral nature of pH 6.44. Therefore, hydrogen production from seawater based on photoelectrochemical cells (PECC) has been spotlighted as a way to realize a green economy.

실질적인 태양광 기반 수소 생산을 실현하기에, 해수 PECC(sea water PECC, SW-PECC)는 지구상에 풍부한 물질을 이용하고, 높은 광활성(photoactivity), 낮은 비용, 무독성, 좁은 밴드갭 및 강력한 화학적 안정성을 가지고 있다. 이러한 시도는 BiVO4, Fe2O3, TiO2 및 WO3 와 같은 금속 산화물을 SW-PECC의 광양극(photoanode)으로 사용하는 방법으로 수행되어 왔다. 이러한 금속 산화물은 Co-Pi, C3N4 및 RhO2와 같은 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER) 촉매에 의한 보호되어 작동 전극(working electrode)에서 염소 가스를 발생시키고 Pt 상대 전극에서 수소를 발생시킨다. 그러나, 더욱 효과적인 설계는 광활성 작용 전극에서 수소 발생을 달성하는 것이다.In order to realize practical solar-based hydrogen production, sea water PECC (SW-PECC) utilizes abundant materials on earth, and has high photoactivity, low cost, non-toxicity, narrow band gap and strong chemical stability. Have. This approach has been carried out by using metal oxides such as BiVO 4 , Fe 2 O 3 , TiO 2 and WO 3 as photoanodes of SW-PECC. These metal oxides are protected by oxygen evolution reaction (OER) catalysts such as Co-Pi, C 3 N 4 and RhO 2 to generate chlorine gas at the working electrode and hydrogen at the Pt counter electrode. Generate. However, a more effective design is to achieve hydrogen evolution at the photoactive working electrode.

수많은 금속 산화물 중에 Co3O4는 지구 상에 풍부한 물질이고, 높은 흡수 계수를 가지고 있다. 나아가, 고유 p 형 전도성 Co3O4는 1.5eV 및 2.2eV의 직접적인 이중 밴드 갭을 갖는다.Among many metal oxides, Co 3 O 4 is abundant on the earth and has a high absorption coefficient. Furthermore, the intrinsic p-type conductive Co 3 O 4 has direct double band gaps of 1.5 eV and 2.2 eV.

상술한 광전 속성에 대한 장점과 같이 Co3O4는 또한, 산소 발생 반응(OER) 및 수소 발생 반응(HER, Hydrogen evolution reaction)의 물 분해 반응에 대한 훌륭한 전기 화학적 촉매 특성도 가지고 있다. 이러한 2가지 특성(OER 및 HER)은 Co3O4/그래핀(graphene), Co3O4/탄소 섬유(carbon ber) 및 NiCo/NiCoOx 이종구조에 의해서 입증되었다.Like the advantages of the photoelectric properties described above, Co 3 O 4 also has excellent electrochemical catalytic properties for water decomposition reactions of oxygen evolution reactions (OER) and hydrogen evolution reactions (HER). These two properties (OER and HER) were demonstrated by Co 3 O 4 / graphene, Co 3 O 4 / carbon fiber and NiCo / NiCoO x heterostructures.

공개특허공보 제 10-2017-0107642호Patent Publication No. 10-2017-0107642

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 동작 성능이 향상된 해수 분해 장치를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a seawater decomposition apparatus with improved operating performance.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 동작 성능이 향상된 해수 분해 장치에 포함되는 해수 분해 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a seawater decomposition electrode included in a seawater decomposition apparatus with improved operating performance.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 동작 성능이 향상된 해수 분해 장치에 포함되는 해수 분해 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a seawater decomposition electrode included in a seawater decomposition apparatus with improved operating performance.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 분해 장치는 전원부의 음극과 연결되고, 해수에 침지되어 산소를 생성하는 카운터 전극 및 상기 전원부의 양극과 연결되고, 상기 해수에 침지되고, 빛이 입사되어 수소를 생성하는 워킹 전극을 포함하되, 상기 워킹 전극은 투명 전도체와, 상기 투명 전도체와 결합되고, 커켄달 보이드(Kirkendall void)를 포함하는 산화 코발트 필름을 포함한다.Seawater decomposition apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is connected to the negative electrode of the power supply unit, the counter electrode is immersed in seawater to generate oxygen and connected to the positive electrode of the power supply unit, is immersed in the sea water, A walking electrode includes a working electrode through which light is incident to generate hydrogen, wherein the working electrode includes a transparent conductor and a cobalt oxide film coupled to the transparent conductor and including a Kirkendall void.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 분해 전극은 투명 전도체 및 상기 투명 전도체와 접하고, Co3O4을 포함하는 광촉매층을 포함하되, 상기 광촉매층은 커켄달 보이드를 포함한다.The seawater decomposition electrode according to an embodiment of the present invention for solving the above other problems includes a transparent conductor and a photocatalyst layer in contact with the transparent conductor and including Co 3 O 4, wherein the photocatalytic layer includes a kekendal void.

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 분해 전극 제조 방법은 투명 기판을 제공하고, 상기 투명 기판 상에 코발트 필름을 증착하고, 상기 코발트 필름을 급속 열처리하여 커켄달 디퓨전을 이용하여 Co3O4를 포함하는 산화 코발트 필름을 형성하는 것을 포함한다.The seawater decomposition electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention for solving the above another problem is to provide a transparent substrate, to deposit a cobalt film on the transparent substrate, rapid thermal treatment of the cobalt film to use the Kirkendal diffusion To form a cobalt oxide film comprising Co 3 O 4.

기타 실시예들의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.

본 발명의 일 실시예에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, there are at least the following effects.

즉, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치는 높은 효율로 수소를 발생시키고 자원 획득을 할 수 있다.That is, the seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention may generate hydrogen and obtain resources with high efficiency.

또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 전극 제조 방법은 고결정성 및 투과성을 확보할 수 있다.In addition, the seawater decomposition electrode manufacturing method according to some embodiments of the present invention can ensure high crystallinity and permeability.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effects according to the present invention are not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present specification.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1의 Co3O4 필름을 세부적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 전극 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 Co 상태와 Co3O4 상태에서의 XRD(X-ray Diffraction) 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 입사광의 파장에 따른 투과도를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1의 및 비교예 1의 광양자 에너지에 따른 흡수 계수를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1의 및 비교예 1의 광양자 에너지에 따른 타우 그래프 및 ln(αhν)의 도함수를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry, LSV) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 타펠 기울기(Tafel slopes) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 2의 펄스광(pulsed light) 조건에서의 0.4 내지 -0.3(V vs. RHE(Reversible hydrogen electrode)) 범위의 선형주사전위법 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 15a는 본 발명의 실시예 2의 펄스광 조건에서의 0 내지 -0.8(V vs. RHE) 범위의 선형주사전위법 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 15b는 도 15a의 -0.5 내지 -0.6(V vs. RHE) 범위를 확대한 그래프이다.
도 16a는 본 발명의 실시예 2의 백색광 조건에서 -0.34(V vs. RHE)의 과전압(over potential)을 인가하였을 때의 전류 시간 특성을 도시한 그래프이다.
도 16b는 도 16a의 A 부분을 확대한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2의 백색광 조건에서 0.58 및 0.83(V vs. RHE)의 과전압(over potential)을 인가하였을 때의 전류 시간 특성을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예 2의 부산물을 설명하기 위한 개념도이다.
도 19는 본 발명의 실시예 2의 다양한 입사광의 파장에 따른 전류 시간 특성을 도시한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시예 2의 -0.33(V vs. RHE)에서의 파장에 따른 IPCE(incident photon to charge carrier efficiency)를 도시한 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시예 2의 암전(dark) 및 빛(light) 조건에서의 1/C2과 V의 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시예 2의 정상 상태(Steady-state)의 전류 전압 특성을 도시한 그래프이다.
도 23은 Co3O4의 이중 밴드갭의 추정 에너지 밴드 엣지를 도시한 다이어 그램이다.
도 24는 본 발명의 실시예 2의 일반적인 공핍(normal depletion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 25는 본 발명의 실시예 2의 인버전(inversion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 26은 본 발명의 실시예 2의 딥 인버전(deep inversion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 27은 본 발명의 실시예 2의 과전압이 인가되었을 때의 나이퀴스트 선도(Nyquist plots)이다.
도 28은 본 발명의 실시예 2에서 -0.44 내지 -0.53(V vs. RHE)에서의 측정 및 추정 파라미터를 나타낸 표이다.
도 29는 본 발명의 실시예 2에서 획득된 부산물의 에너지분산형 스펙트럼(energy dispersive spectra, EDS)이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram for describing the Co 3 O 4 film of FIG. 1 in detail.
3 is a conceptual diagram illustrating a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention.
4 to 6 are intermediate step views for explaining a method of manufacturing a seawater decomposition electrode in accordance with some embodiments of the present invention.
7 is an X-ray diffraction (XRD) spectrum in a Co state and a Co 3 O 4 state of Example 1 of the present invention.
8 is a graph showing transmittance according to the wavelength of incident light of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
9 is a graph showing absorption coefficients according to photon energy of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
10 is a graph showing the tau graph and the derivative of ln (αhν) according to the photon energy of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
11 is a conceptual diagram for explaining the configuration of the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph illustrating linear sweep voltammetry (LSV) measurement results of Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 of the present invention.
FIG. 13 is a graph illustrating results of measuring Tafel slopes of Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 of the present invention. FIG.
14 is a graph illustrating the results of linear scanning potential measurement in the range of 0.4 to -0.3 (V vs. RHE (reversible hydrogen electrode)) under pulsed light conditions of Example 2 of the present invention.
15A is a graph showing the results of linear scanning potential measurement in the range of 0 to -0.8 (V vs. RHE) in the pulsed light condition of Example 2 of the present invention.
FIG. 15B is an enlarged graph of -0.5 to -0.6 (V vs. RHE) of FIG. 15A.
FIG. 16A is a graph showing current time characteristics when an overpotential of −0.34 (V vs. RHE) is applied under the white light condition of Example 2 of the present invention. FIG.
FIG. 16B is an enlarged graph of part A of FIG. 16A.
FIG. 17 is a graph showing current time characteristics when an overpotential of 0.58 and 0.83 (V vs. RHE) is applied under the white light condition of Example 2 of the present invention.
18 is a conceptual diagram illustrating a by-product of Embodiment 2 of the present invention.
19 is a graph showing the current time characteristic according to the wavelength of various incident light of Example 2 of the present invention.
FIG. 20 is a graph illustrating incident photon to charge carrier efficiency (IPCE) according to wavelength at −0.33 (V vs. RHE) of Example 2 of the present invention. FIG.
21 is a graph of 1 / C 2 and V in dark and light conditions of Example 2 of the present invention.
FIG. 22 is a graph showing the current-voltage characteristics of the steady-state of Example 2 of the present invention. FIG.
FIG. 23 is a diagram illustrating an estimated energy band edge of a double bandgap of Co 3 O 4 .
24 is an energy band diagram of a normal depletion situation of Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 25 is an energy band diagram of an inversion situation of Embodiment 2 of the present invention. FIG.
FIG. 26 is an energy band diagram of a deep inversion situation of Embodiment 2 of the present invention. FIG.
27 shows Nyquist plots when the overvoltage of Example 2 of the present invention is applied.
FIG. 28 is a table showing measurement and estimation parameters at −0.44 to −0.53 (V vs. RHE) in Example 2 of the present invention. FIG.
FIG. 29 is an energy dispersive spectra (EDS) of the byproduct obtained in Example 2 of the present invention. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, components and / or sections, these elements, components and / or sections are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Therefore, the first device, the first component, or the first section mentioned below may be a second device, a second component, or a second section within the technical spirit of the present invention.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.When elements or layers are referred to as "on" or "on" of another element or layer, intervening other elements or layers as well as intervening another layer or element in between. It includes everything. On the other hand, when a device is referred to as "directly on" or "directly on" indicates that no device or layer is intervened in the middle.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.The spatially relative terms " below ", " beneath ", " lower ", " above ", " upper " It may be used to easily describe the correlation of a device or components with other devices or components. Spatially relative terms are to be understood as including terms in different directions of the device in use or operation in addition to the directions shown in the figures. For example, when flipping a device shown in the figure, a device described as "below or beneath" of another device may be placed "above" of another device. Thus, the exemplary term "below" can encompass both an orientation of above and below. The device may be oriented in other directions as well, in which case spatially relative terms may be interpreted according to orientation.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and / or “comprising” refers to the presence of one or more other components, steps, operations and / or elements. Or does not exclude additions.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used in a sense that can be commonly understood by those skilled in the art. In addition, the terms defined in the commonly used dictionaries are not ideally or excessively interpreted unless they are specifically defined clearly.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명한다.Hereinafter, a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 도 1의 Co3O4 필름을 세부적으로 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention, Figure 2 is a conceptual diagram for explaining in detail the Co3O4 film of FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치는 전원부(100), 카운터 전극(200) 및 워킹 전극(300)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present disclosure includes a power supply unit 100, a counter electrode 200, and a working electrode 300.

전원부(100)는 양극(110) 및 음극(120)을 포함할 수 있다. 전원부(100)의 양극(110)은 전류를 공급하고 전자가 들어오는 단자일 수 있다. 전원부(100)의 음극(120)은 반대로 전자를 공급하고 전류가 들어오는 단자일 수 있다. 양극(110)은 워킹 전극(300)과 연결되고, 음극(120)은 카운터 전극(200)과 연결될 수 있다.The power supply unit 100 may include a positive electrode 110 and a negative electrode 120. The anode 110 of the power supply unit 100 may be a terminal that supplies current and receives electrons. The cathode 120 of the power supply unit 100 may be a terminal that supplies electrons and receives current. The anode 110 may be connected to the working electrode 300, and the cathode 120 may be connected to the counter electrode 200.

해수(400)는 바다에서 직접 구할 수 있다. 따라서, 해수(400)는 지구상에 가장 풍부하고 구하기 쉬운 물질일 수 있다. 따라서, 이러한 특징들 때문에 해수(400)를 분해하여 수소 등을 얻는 방식은 미래 에너지원으로 각광받고 있다.Sea water 400 can be obtained directly from the sea. Thus, seawater 400 may be the most abundant and readily available material on earth. Therefore, due to these characteristics, the method of obtaining hydrogen or the like by decomposing the sea water 400 is spotlighted as a future energy source.

카운터 전극(200)은 해수(400)에 침지될 수 있다. 즉, 카운터 전극(200)의 적어도 일부는 해수(400)에 담겨 해수(400)와 직접 접할 수 있다. 카운터 전극(200)은 해수(400)와 접하는 표면에서 산소(O2) 기체가 발생할 수 있다. 카운터 전극(200)은 전원부(100)로부터 전자를 공급받을 수 있다.The counter electrode 200 may be immersed in the sea water 400. That is, at least a part of the counter electrode 200 may be in direct contact with the seawater 400 in the seawater 400. The counter electrode 200 may generate oxygen (O 2 ) gas at a surface in contact with the sea water 400. The counter electrode 200 may receive electrons from the power supply unit 100.

워킹 전극(300)도 역시 해수(400)에 침지될 수 있다. 즉, 워킹 전극(300)의 적어도 일부는 해수(400)에 담겨 해수(400)와 직접 접할 수 있다. 워킹 전극(300)은 해수(400)와 접하는 표면에서 수소(H2) 기체가 발생할 수 있다. 워킹 전극(300)은 전원부(100)로부터 전류를 공급받을 수 있다.The working electrode 300 may also be immersed in the sea water 400. That is, at least a part of the working electrode 300 may be in direct contact with the seawater 400 in the seawater 400. The working electrode 300 may generate hydrogen (H 2 ) gas at a surface in contact with the sea water 400. The working electrode 300 may receive a current from the power supply unit 100.

워킹 전극(300)은 외부에서 입사광(500)이 도달할 수 있다. 워킹 전극(300)은 광 촉매반응을 통해서 수소(H2) 기체를 발생시킬 수 있다. 워킹 전극(300)은 여러가지 층이 형성되어 있는 다중 구조일 수 있다.The incident light 500 may reach the working electrode 300 from the outside. The working electrode 300 may generate hydrogen (H 2 ) gas through a photocatalytic reaction. The working electrode 300 may be a multi-structure in which various layers are formed.

구체적으로, 워킹 전극(300)은 투명 전도체(310)와 산화 코발트 필름(320)을 포함할 수 있다.In detail, the working electrode 300 may include a transparent conductor 310 and a cobalt oxide film 320.

투명 전도체(310)는 FTO(fluorine doped tin oxide), ITO(Indium tin oxide) 및 금속 나노선 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 투명 전도체(310)는 입사광(500)이 투과할 수 있도록 투명할 수 있다. 따라서, 입사광(500)은 투명 전도체(310)를 투과하여 산화 코발트 필름(320)에 도달할 수 있다.The transparent conductor 310 may include at least one of fluorine doped tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), and metal nanowires. However, the present embodiment is not limited thereto. The transparent conductor 310 may be transparent to allow the incident light 500 to transmit therethrough. Therefore, the incident light 500 may pass through the transparent conductor 310 to reach the cobalt oxide film 320.

산화 코발트 필름(320)은 Co3O4를 포함할 수 있다. 산화 코발트 필름(320)은 반투명할 수 있다. 산화 코발트 필름(320)은 광촉매로서 입사광에 의해서 광반응을 수행할 수 있다. 이를 통해서 전원부(100)의 양극(110)이 공급하는 전류를 이용하여 수소(H2) 기체를 발생시킬 수 있다.The cobalt oxide film 320 may include Co 3 O 4 . The cobalt oxide film 320 may be translucent. The cobalt oxide film 320 may perform photoreaction by incident light as a photocatalyst. Through this, hydrogen (H 2 ) gas may be generated using the current supplied from the anode 110 of the power supply unit 100.

도 2를 참조하면, 산화 코발트 필름(320)은 내부에 보이드(325)를 포함할 수 있다. 즉, 산화 코발트 필름(320)은 다공성(porous) 필름일 수 있다. 보이드(325)는 커켄달 보이드(325)일 수 있다. 이는 산화 코발트 필름(320)을 제조할 때, 커켄달 확산(Kirkendall-diffusion)을 이용하는 것에 기인할 수 있다.Referring to FIG. 2, the cobalt oxide film 320 may include a void 325 therein. That is, the cobalt oxide film 320 may be a porous film. The void 325 may be a Kirkendal void 325. This may be due to using Kirkendall-diffusion when manufacturing the cobalt oxide film 320.

산화 코발트 필름(320)은 반투명할 수 있다. 즉, 광학적으로 모든 입사광의 성분을 다 투과시키지는 못하지만, 일부의 파장 영역에 해당하는 입사광의 부분을 투과시킬 수 있다.The cobalt oxide film 320 may be translucent. That is, although all components of incident light are not transmitted optically, a part of incident light corresponding to a part of wavelength range can be transmitted.

산화 코발트 필름(320)은 수소 발생 반응 촉매로서 매우 좋은 성능을 가질 수 있다. 또한, 산화 코발트 필름(320)은 해수 분해 성능에 대한 높은 지속 가능성을 가질 수 있다. 추후에 소개되는 여러 실험예를 통해서 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치의 특성에 대해 자세히 설명한다.The cobalt oxide film 320 may have very good performance as a hydrogen generation reaction catalyst. In addition, the cobalt oxide film 320 may have high sustainability for seawater decomposition performance. Through the various experimental examples introduced later, the characteristics of the seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention will be described in detail.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명한다.Hereinafter, a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치를 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 장치의 워킹 전극(300)은 투명 기판(330)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the working electrode 300 of the seawater decomposition apparatus according to some embodiments of the present disclosure may include a transparent substrate 330.

투명 기판(330)은 유리 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다. 투명 기판(330)은 입사광(500)을 투과할 수 있도록 투명할 수 있다. 투명 기판(330)은 투명 전도체(310)의 일면 상에 배치되고, 산화 코발트 필름(320)은 투명 전도체(310)의 타면 상에 배치될 수 있다.The transparent substrate 330 may be a glass substrate or a silicon substrate. The transparent substrate 330 may be transparent to transmit the incident light 500. The transparent substrate 330 may be disposed on one surface of the transparent conductor 310, and the cobalt oxide film 320 may be disposed on the other surface of the transparent conductor 310.

입사광(500)은 투명 기판(330) 및 투명 전도체(310)를 투과하여 산화 코발트 필름(320)에 도달할 수 있다. The incident light 500 may pass through the transparent substrate 330 and the transparent conductor 310 to reach the cobalt oxide film 320.

본 실시예는 투명 기판(330)을 통해서 산화 코발트 필름(320)을 안정적으로 형성하여 이를 그대로 워킹 전극(300)으로 사용할 수 있다. 이하, 워킹 전극(300)을 형성하는 방법에 대해서 설명한다.In this embodiment, the cobalt oxide film 320 is stably formed through the transparent substrate 330, and the cobalt oxide film 320 may be used as the working electrode 300 as it is. Hereinafter, a method of forming the working electrode 300 will be described.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 해수 분해 전극 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.4 to 6 are intermediate step views for explaining a method of manufacturing a seawater decomposition electrode in accordance with some embodiments of the present invention.

먼저, 도 4를 참조하면, 투명 기판(330) 상에 투명 전도체(310)를 형성한다. 이 때, 투명 기판(330) 상에 투명 전도체(310)가 코팅된 기판도 적층 구조로 사용할 수 있다.First, referring to FIG. 4, a transparent conductor 310 is formed on the transparent substrate 330. In this case, the substrate coated with the transparent conductor 310 on the transparent substrate 330 may also be used as a laminated structure.

투명 기판(330) 및 투명 전도체(310)는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 아세톤 및 증류수로 초음파 처리(ultrasonication)에 의해서 클리닝될 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. The transparent substrate 330 and the transparent conductor 310 may be cleaned by ultrasonication with isopropyl alcohol, acetone and distilled water. However, the present embodiment is not limited thereto.

이어서, 투명 전도체(310) 상에 얇은 코발트 필름(320P)을 스퍼터링을 통해서 증착할 수 있다. 코발트 필름(320P)은 순수한 Co를 포함할 수 있다. 이 때, 코발트 필름은 평균적으로 제1 높이(H1)만큼 형성될 수 있다.Subsequently, a thin cobalt film 320P may be deposited on the transparent conductor 310 through sputtering. The cobalt film 320P may include pure Co. In this case, the cobalt film may be formed by the first height H1 on average.

제1 높이(H1)는 예를 들어, 10 내지 300nm일 수 있다. 단, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 높이(H1)가 너무 작으면 추후 산화 코발트 필름(320)의 형성 자체가 어렵고, 제1 높이(H1)가 너무 높으면 추후에 산화 코발트 필름(320)의 투과도 및 다공성의 특징이 잘 발현되지 않을 수 있다.The first height H1 may be, for example, 10 to 300 nm. However, it is not limited thereto. If the first height H1 is too small, it is difficult to form the cobalt oxide film 320 later. If the first height H1 is too high, the characteristics of the permeability and porosity of the cobalt oxide film 320 will not be well expressed later. You may not.

이어서, 도 5를 참조하면, 코발트 필름(320P)을 대기상에서 급속 열처리(600)(Rapid Thermal Process, RTP)할 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 5, the cobalt film 320P may be rapidly thermally treated 600 (Rapid Thermal Process, RTP) in the air.

급속 열처리(600)는 제1 및 제2 구간의 순차적인 2개의 구간으로 나누어 진행될 수 있다. 먼저 제1 구간에서 온도를 상승시키면서 급속 열처리(600)를 수행하고, 이어서 제2 구간에서 온도를 더 높게 상승시키면서 급속 열처리(600)를 수행할 수 있다.The rapid heat treatment 600 may be divided into two sequential sections of the first and second sections. First, the rapid heat treatment 600 may be performed while increasing the temperature in the first section, and then the rapid heat treatment 600 may be performed while the temperature is increased higher in the second section.

예를 들어, 제1 구간의 온도는 상온에서 300℃까지 상승될 수 있다고, 제2 구간의 온도는 300℃에서 500℃까지 상승될 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 구간 및 제2 구간은 예를 들어, 각각 5분씩 수행될 수 있다.For example, the temperature of the first section may be increased to 300 ° C at room temperature, and the temperature of the second section may be increased to 300 ° C from 500 ° C. However, the present embodiment is not limited thereto. For example, the first interval and the second interval may be performed for 5 minutes each.

도 6을 참조하면, 산화 코발트 필름(320)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6, a cobalt oxide film 320 may be formed.

산화 코발트 필름(320)은 커켄달 확산에 의해서 보이드(325)를 포함할 수 있다. 커켄달 확산이란 2개의 합금의 경계 사이에서 양측의 확산 속도가 다름에 따라서, 더 빨리 확산되는 금속의 내부에 보이드가 형성되는 것을 의미할 수 있다.Cobalt oxide film 320 may include voids 325 by Kerkendal diffusion. Kerkendal diffusion may mean that voids are formed in the metal that diffuses faster as the diffusion rates on both sides differ between the boundaries of the two alloys.

즉, 도 5의 코발트 필름(320P)과 투명 전도체(310)의 경계에서 급속 열처리(600)에 의해서 코발트 원자의 확산이 투명 전도체(310) 방향으로 일어남에 따라서 도 6과 같이 코발트 필름(320P) 내부에 보이드(325)가 형성될 수 있다.That is, as the diffusion of cobalt atoms occurs in the direction of the transparent conductor 310 by rapid heat treatment 600 at the boundary between the cobalt film 320P and the transparent conductor 310 of FIG. 5, the cobalt film 320P as shown in FIG. 6. A void 325 may be formed therein.

이 때, 산화에 의해서 도 5의 코발트 필름(320P)이 산화 코발트 필름(320)으로 성장할 수 있다. 산화 코발트 필름(320)은 평균적으로 제2 높이(H2)를 가질 수 있다. 제2 높이(H2)는 당연히 제1 높이(H1)보다 클 수 있다. 제2 높이(H2)는 예를 들어, 10nm 내지 500nm일 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the cobalt film 320P of FIG. 5 may grow into the cobalt oxide film 320 by oxidation. The cobalt oxide film 320 may have a second height H2 on average. The second height H2 may naturally be greater than the first height H1. The second height H2 may be, for example, 10 nm to 500 nm. However, the present embodiment is not limited thereto.

실시예 1-다공성 샘플(porous)Example 1-Porous Samples

FTO가 코팅된 유리 기판을 투명 기판(330) 및 투명 전도체(310)의 적층 구조로 사용하였다. 이 때, 상기 적층 구조의 시트 저항은 7 Ω/□일 수 있다. 상기 적층 구조는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 아세톤 및 증류수로 초음파 처리(ultrasonication)에 의해서 클리닝되었다.A glass substrate coated with FTO was used as a laminated structure of the transparent substrate 330 and the transparent conductor 310. At this time, the sheet resistance of the laminated structure may be 7 Ω / □. The laminated structure was cleaned by sonication with isopropyl alcohol, acetone and distilled water.

이어서, 상기 적층 구조 상에 순수한 지름이 4인치인 Co 타겟을 최대 10W/cm2의 DC 파워로 스퍼터링 증착하였다. 이 때, 압력은 5 X 10- 6Torr이고, 스퍼터링 가스 Ar은 5sccm로 공급되었다. 이 때, Co 필름은 최대 65.5nm의 높이를 가질 수 있다.Subsequently, a Co target having a pure diameter of 4 inches was sputter deposited on the laminated structure with a DC power of up to 10 W / cm 2 . At this time, the pressure is 5 X 10 - is 6 Torr, sputtering gas Ar was supplied to 5sccm. At this time, the Co film may have a height of up to 65.5 nm.

상기 Co는 10분간 550℃로 급속 열처리가 수행되어 Co3O4막이 형성되었다. 이 때, 급속 열처리는 5분간 상온(25℃)에서 300℃까지 먼저 열처리되고, 이후에 300℃에서 550℃로 5분간 열처리되는 2단계로 수행되었다.The Co was rapidly heat treated at 550 ° C. for 10 minutes to form a Co 3 O 4 film. At this time, the rapid heat treatment was first performed at room temperature (25 ° C.) for 5 minutes to 300 ° C., and then heat treatment was performed at 300 ° C. to 550 ° C. for 5 minutes.

급속 열처리 이후에 자연 냉각으로 유리기판, FTO 및 Co3O4 필름의 적층 구조체가 형성되었다. 이 때, Co3O4 필름의 높이는 최대 151nm일 수 있다.After the rapid heat treatment, a natural structure formed a laminated structure of glass substrate, FTO and Co 3 O 4 film. At this time, the height of the Co 3 O 4 film may be up to 151nm.

도 7은 본 발명의 실시예 1의 Co 상태와 Co3O4 상태에서의 XRD(X-ray Diffraction) 스펙트럼이다.7 is an X-ray diffraction (XRD) spectrum in a Co state and a Co 3 O 4 state of Example 1 of the present invention.

도 7을 참조하면, 실시예 1에서 증착된 Co 필름은 등축정계(cubic crystal symmetry)이다. 이러한 Co 필름이 대기상의 급속 열처리를 통해서 Co3O4로 완전히 변환될 수 있다. 산화 코발트 필름은 a= 8.079Å를 가지는 등축정계이다. 강화된 회절 피크(diffraction peak)는 산화 코발트 필름이 고결정질 구조(high crystalline structure)라는 것을 강하게 나타내고, 이는 필름의 퀄리티 향상을 위한 급속 열처리에 기인할 수 있다.Referring to FIG. 7, the Co film deposited in Example 1 is cubic crystal symmetry. This Co film can be completely converted to Co 3 O 4 through rapid heat treatment in the atmospheric phase. The cobalt oxide film is an equiaxial crystal system having a = 8.079 GPa. The enhanced diffraction peak strongly indicates that the cobalt oxide film is a high crystalline structure, which may be due to the rapid heat treatment to improve the quality of the film.

2θ=36.91°에서의 강한 회절 피크는 [311] 방향에서의 Co3O4의 더 높은 성장율 및 2.432Å의 결정면간 거리(d-spacing)를 나타낸다. 19.06°, 31.34°, 44.88°, 55.73°, 59.43° 및 65.31°에서의 회절 피크는 각각 (111), (220), (400), (422), (511) 및 (404) 결정 평면들과 잘 대응된다. 디바이-셰러 이론(Debye-Scherrer theory)에 따라서, 189 Å의 결정질의 크기가 확장된 (311) 회절 피크에서 추정된다.The strong diffraction peak at 2θ = 36.91 ° shows higher growth rate of Co 3 O 4 in the [311] direction and d-spacing of 2.432 kPa. Diffraction peaks at 19.06 °, 31.34 °, 44.88 °, 55.73 °, 59.43 ° and 65.31 ° are determined by (111), (220), (400), (422), (511) and (404) crystal planes, respectively. Corresponds well. According to the Debye-Scherrer theory, a crystalline size of 189 μs is estimated at the extended (311) diffraction peak.

비교예 1-표면의 형태가 밀집된 샘플(dense)Comparative Example 1 dense dense sample

급속 열처리를 더 길게 하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조하였다. 급속 열처리가 더 길어짐에 따라서, 산화 코발트 필름의 높이는 160nm로 더 높아지고, 표면의 형태는 더욱 밀집될 수 있다.It was prepared in the same manner as in Example 1 except that the rapid heat treatment was longer. As the rapid heat treatment is longer, the height of the cobalt oxide film is higher to 160 nm, and the shape of the surface may be more dense.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1 및 비교예 1의 광학 특성을 확인하기 위해서 입사광의 파장에 따른 투과도를 측정하였다.In order to confirm the optical characteristics of Example 1 and Comparative Example 1, the transmittance according to the wavelength of the incident light was measured.

도 8은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 입사광의 파장에 따른 투과도를 도시한 그래프이다. 도 8에서 실시예 1은 "porous"로 표시되고, 비교예 1은 "dense"로 표시될 수 있다.8 is a graph showing transmittance according to the wavelength of incident light of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention. In FIG. 8, Example 1 may be labeled "porous", and Comparative Example 1 may be labeled "dense".

도 8을 참조하면, 2개의 광학 밴드 갭에 대응하는 2개의 광학적 전이(optical transitions)가 나타난다. 실시예 1 및 비교예 1는 반투명할 수 있다. Referring to FIG. 8, two optical transitions corresponding to two optical band gaps are shown. Example 1 and Comparative Example 1 may be translucent.

산화 코발트 필름은 가시광선 영역에서 높은 흡수를 나타낸다. 실시예 1 및 비교예 1의 흡수계수 α는 α=(1/d)ln((1-R)2/T)의 관계식에 의해서 계산될 수 있다. 이 때, d 및 R은 각각 두께 및 반사도이다.Cobalt oxide films exhibit high absorption in the visible region. The absorption coefficient α of Example 1 and Comparative Example 1 can be calculated by the relation of α = (1 / d) ln ((1-R) 2 / T). Where d and R are the thickness and the reflectivity, respectively.

도 9는 본 발명의 실시예 1의 및 비교예 1의 광양자 에너지에 따른 흡수 계수를 도시한 그래프이다.9 is a graph showing absorption coefficients according to photon energy of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 9를 참조하면, 계산된 α가 광양자 에너지(hν)의 함수로 도시된다. 여기서, h와 ν는 각각 플랑크 상수 및 광자 주파수이다. 산화 코발트 필름은 hν가 1.5 eV 보다 클 때 5X104cm-1보다 큰 α값을 가지므로 200nm는 태양광의 가시광 스펙트럼을 흡수하기에 충분하다는 것을 알 수 있다. With reference to FIG. 9, the calculated α is shown as a function of photon energy hv. Where h and v are Planck's constant and photon frequency, respectively. It can be seen that the cobalt oxide film has an α value greater than 5 × 10 4 cm −1 when hν is greater than 1.5 eV, so that 200 nm is sufficient to absorb the visible light spectrum of sunlight.

도 10은 본 발명의 실시예 1의 및 비교예 1의 광양자 에너지에 따른 타우 그래프(Tauc plot) 및 ln(αhν)의 도함수를 도시한 그래프이다. 산화 코발트 필름의 밴드 갭 Eg는 타우 그래프 또는 도함수에 따라서 측정될 수 있다. 도 10을 참조하면, 두가지 방법 모두 유사한 Eg값을 제공할 수 있다.FIG. 10 is a graph showing derivatives of a Tauc plot and ln (αhν) according to photon energy of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention. The band gap E g of the cobalt oxide film can be measured according to the tau graph or the derivative. Referring to FIG. 10, both methods can provide similar E g values.

실시예 1 및 비교예 1은 2개의 직접적인 밴드 갭(Eg1 = 1.5 eV 및 Eg2 = 2.3 eV)을 나타내고, 이는 기존에 보고된 값과 동일하다.Example 1 and Comparative Example 1 show two direct band gaps (E g 1 = 1.5 eV and E g 2 = 2.3 eV), which are the same as previously reported values.

실시예 1 및 비교예 1은 Eg1은 모두 약 1.5eV로 동일함에 반해, 실시예 1의 Eg2값은 약 2.3eV로 비교예 1의 약 2.2eV보다 조금 높을 수 있다. In Example 1 and Comparative Example 1, both E g 1 is about 1.5 eV, while the E g 2 value of Example 1 is about 2.3 eV, which may be slightly higher than about 2.2 eV of Comparative Example 1.

실시예 2Example 2

도 11은 본 발명의 실시예 2의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.11 is a conceptual diagram for explaining the configuration of the second embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 워킹 전극(300)은 FTO/유리의 적층 구조 상에 150nm의 Co3O4가 형성된 구조가 채용되고, 전압 측정을 위한 기준 전극(700)은 은-염화은 전극(Ag/AgCl electrode)으로 하였다. 기준 전극(700)은 전원부(100)의 양극(110)에 연결되고, 해수(400)에 침지될 수 있다. 카운터 전극(200)은 백금 거즈(platinum gauze, Pt)로 하였다.Referring to FIG. 11, the working electrode 300 has a structure in which 150 nm of Co 3 O 4 is formed on a laminated structure of FTO / glass, and the reference electrode 700 for voltage measurement is a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl electrode). The reference electrode 700 may be connected to the anode 110 of the power supply unit 100 and immersed in the sea water 400. The counter electrode 200 was made of platinum gauze (Pt).

측정된 전압(V vs. Ag/AgCl)은 네른스트 관계식(Nernst relation, ERHE = EAg/AgCl + 0.059 pH + E°Ag / AgCl)에 의해서 리버서블 수소 전극(reversible hydrogen electrode, RHE) 스케일로 변환되었다. 상기 네른스트 관계식에서, ERHE는 (vs. RHE)로 변환된 전압이고, E°Ag / AgCl은 25 ℃에서 0.210V이고, EAg / AgCl은 Ag/AgCl 기준에 대한 측정된 전압이다.The measured voltage (V vs. Ag / AgCl) is scaled to a reversible hydrogen electrode (RHE) scale by the Nernst relation (E RHE = E Ag / AgCl + 0.059 pH + E ° Ag / AgCl ). Was converted. In the Nernst relation, E RHE is the voltage converted to (vs. RHE), E ° Ag / AgCl is 0.210V at 25 ° C., and E Ag / AgCl is the measured voltage relative to the Ag / AgCl reference.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 2의 워킹 전극에 Co3O4 필름이 없이 FTO만 포함된 워킹 전극을 채용한 것을 제외하면 실시예 2와 동일하게 하였다.The working electrode of Example 2 was the same as in Example 2 except that a working electrode containing only FTO was used without a Co 3 O 4 film.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예 2의 워킹 전극에 상용 Pt 거즈만 포함된 워킹 전극을 채용한 것을 제외하면 실시예 2와 동일하게 하였다.Except for employing a working electrode containing only commercial Pt gauze in the working electrode of Example 2 was the same as in Example 2.

실험예 2Experimental Example 2

실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 수소 생성 반응(HER) 활동성을 측정하기 위해서 선형주사전위법(Linear sweep voltammetry, LSV) 측정을 수행하였다.Linear sweep voltammetry (LSV) measurements were performed to determine the hydrogen production reaction (HER) activity of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3.

도 12는 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 선형주사전위법 측정 결과를 도시한 그래프이다. 도 12는 음극 방향에서 분극 곡선(iR 보정)을 도시한다.12 is a graph showing the measurement results of the linear scanning potential method of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 of the present invention. 12 shows a polarization curve (iR correction) in the negative direction.

도 12를 참조하면, 실시예 2는 850 mV의 시작 전위의 매우 높은 활동성을 보여준다. 20 mA/cm2의 HER 전류 밀도를 획득하기 위해서, 실시예 2는 해수 분해를 위해서 960 mV의 약간의 과전압(overpotential)을 가진다. 이 값은 상용 Ti 호일(1400 mV @ 20 mA/cm2)의 성능보다 매우 향상된 값이고, 촉매 기반의 RuCoMo(overpotential ~ 700 mV @ 20 mA/cm2)와 근접한 값이다.Referring to Figure 12, Example 2 shows a very high activity of the starting potential of 850 mV. In order to obtain a HER current density of 20 mA / cm 2, Example 2 has a slight overpotential of 960 mV for seawater decomposition. This value is an enhanced value, and very, RuCoMo of catalyst based (overpotential ~ 700 mV @ 20 mA / cm 2) and close than the performance of the commercially available Ti foil (1400 mV @ 20 mA / cm 2).

이렇게 달성된 실시예 2의 HER 활동성은 수소를 생산하기 위해 고전압 값(2.1V-4.5V)이 필요한 해수로부터의 수소 생산 또는 소금물의 전기분해에 매우 유리하게 작용할 수 있다.The HER activity of Example 2 thus achieved can be very advantageous for hydrogen production from seawater or for electrolysis of brine, which requires high voltage values (2.1V-4.5V) to produce hydrogen.

도 13은 본 발명의 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3의 타펠 기울기(Tafel slopes) 측정 결과를 도시한 그래프이다. 도 13은 타펠 방정식 즉, η = blog(J)+ c에 의해서 도시되었다. 여기서, b는 타펠 기울기(Tafel slope)이다.FIG. 13 is a graph illustrating results of measuring Tafel slopes of Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 of the present invention. FIG. 13 is shown by the Tafel equation, η = blog (J) + c. Where b is the Tafel slope.

도 13을 참조하면, 비교예 3, 비교예2 및 실시예 2의 계산된 타펠 기울기는 각각 85, 183 및 20 mV/dec이다. 이는, 실시예 2의 높은 HER 활동성을 의미할 수 있다. 속도 결정(rate determining)에 따르면, 120, 40 또는 30mV/dec의 타펠 기울기는 각각 볼머(Volmer), 헤이로프스키(Heyrovsky) 또는 타펠(Tafel) 단계로 추정된다.Referring to FIG. 13, the calculated Tafel slopes of Comparative Example 3, Comparative Example 2 and Example 2 are 85, 183, and 20 mV / dec, respectively. This may mean the high HER activity of Example 2. According to rate determining, the Tafel slope of 120, 40 or 30 mV / dec is estimated in Volmer, Heyrovsky or Tafel phases, respectively.

실시예 2의 측정된 20mV/dec의 타펠 기울기는 수소를 생성하는 2개의 양성자의 순방향 재조합을 의미하는 매우 뛰어난 규모이다. 볼머 타펠 메커니즘(Volmer-Tafel mechanism)에서, 25 ℃에서의 30 mV/dec의 제한적인 값은 실시예 2의 Co3O4의 강력한 촉매 효과를 나타낸다. 이러한 다공성 Co3O4전극을 이용한 HER 촉매 해수 분해는 Co/Co3O4의 이종 접합의 형태에서의 과전압의 감소가 더욱 기대된다.The measured 20 mV / dec Tafel slope of Example 2 is of a very good scale, meaning forward recombination of the two protons producing hydrogen. In the Volmer-Tafel mechanism, a limiting value of 30 mV / dec at 25 ° C. indicates a strong catalytic effect of Co 3 O 4 of Example 2. HER catalytic seawater decomposition using such porous Co 3 O 4 electrode is expected to further reduce the overvoltage in the form of heterojunction of Co / Co 3 O 4 .

실험예 3Experimental Example 3

자연 해수에서의 전기 화학적으로 액티브한 실시예 2의 광활성(photoactivity)을 확인하기 위해서 펄스광(pulsed light, 100 mW/cm2) 조건에서의 선형주사전위법을 측정하였다. 상기 측정의 스캔 속도는 25 mV/s이다.In order to confirm the photoactivity of Example 2 which is electrochemically active in natural seawater, the linear scanning potential method under pulsed light (100 mW / cm 2 ) was measured. The scan rate of the measurement is 25 mV / s.

도 14는 본 발명의 실시예 2의 펄스광조건에서의 0.4 내지 -0.3(V vs. RHE) 범위의 선형주사전위법 측정 결과를 도시한 그래프이다.14 is a graph showing the results of linear scanning potential measurement in the range of 0.4 to -0.3 (V vs. RHE) in the pulsed light condition of Example 2 of the present invention.

도 14를 참고하면, 획득된 -0.32 V vs RHE에서의 120 μA/cm2 의 광전류 밀도(JPhoto)는 Co3O4 물질의 높은 흡수 계수, 적합한 밴드 갭 및 가능한 광생성 전하의 분리 특성에 의해서 얻어질 수 있다.Referring to FIG. 14, the photocurrent density (J Photo ) of 120 μA / cm 2 at -0.32 V vs RHE obtained is related to the high absorption coefficient of Co 3 O 4 material, suitable band gap and possible separation of photogenerated charges. Can be obtained by

도 14에서는 다공성Co3O4 필름에 의한 촉매 작용 또는 전기적인 특성을 확인할 수 있다.In FIG. 14, the catalytic action or the electrical characteristics of the porous Co 3 O 4 film may be confirmed.

도 15a는 본 발명의 실시예 2의 펄스광 조건에서의 0 내지 -0.8(V vs. RHE) 범위의 선형주사전위법 측정 결과를 도시한 그래프이고, 도 15b는 도 15a의 -0.5 내지 -0.6(V vs. RHE) 범위 부분을 확대한 그래프이다.FIG. 15A is a graph showing the results of linear scanning potential measurement in the range of 0 to -0.8 (V vs. RHE) in the pulsed light condition of Example 2 of the present invention, and FIG. 15B is -0.5 to -0.6 of FIG. 15A. (V vs. RHE) This is an enlarged graph of the range part.

도 15a 및 도 15b를 참고하면, 실시예 2의 워킹 전극의 광 유도 HER 활동성(photo-induced HER activity)는 촉매 및 광 흡수 능력의 결합에 기인한다. 결과적으로, 약 10 mA/cm2의 획득된 전류 밀도는 광 조건의 0.6 V의 과전압에서 얻어진다. 이는 실시예 2의 해수 분해에서의 광전기 화학적 활성(photoelectrochemical activity)의 전압을 의미한다.15A and 15B, the photo-induced HER activity of the working electrode of Example 2 is due to the combination of the catalyst and the light absorbing ability. As a result, an obtained current density of about 10 mA / cm 2 is obtained at overvoltage of 0.6 V under light conditions. This means the voltage of photoelectrochemical activity in seawater decomposition of Example 2.

실험예 4Experimental Example 4

지속적인 수소 생산을 위해서는, PEC 전지의 광화학 안정성(photochemical stability)이 중요한 문제이다. PEC 전지의 해수 분해 성능을 확인하기 위해서 크로노암페로메트리(chronoamperometry, 전류 시간 특성) 분석을 수행하였다.For continuous hydrogen production, the photochemical stability of PEC cells is an important issue. Chronoamperometry (current time characteristic) analysis was performed to confirm the seawater decomposition performance of PEC cells.

도 16a는 본 발명의 실시예 2의 백색광 조건에서 -0.34(V vs. RHE)의 과전압을 인가하였을 때의 전류 시간 특성을 도시한 그래프이고, 도 16b는 도 16a의 A 부분을 확대한 그래프이다.FIG. 16A is a graph showing current time characteristics when an overvoltage of −0.34 (V vs. RHE) is applied under the white light condition of Example 2 of the present invention, and FIG. 16B is an enlarged graph of part A of FIG. 16A. .

도 16a 및 도 16b를 참고하면, 다공성의 Co3O4 필름의 광전기 화학 전지(PECC)의 해수 분해를 통한 수소 발생 안정성을 확인할 수 있다. 3600 초 동안의 테스트에서 안정된 전류값 (초기전류밀도: 2.7 mA/cm2, 1000초 이후의 전류밀도: 1.6 mA/cm2)을 확인하였다. 또한 광전류에 대한 안정성도 확인하였다.16A and 16B, hydrogen generation stability through seawater decomposition of a photoelectrochemical cell (PECC) of a porous Co 3 O 4 film may be confirmed. In the test for 3600 seconds, a stable current value (initial current density: 2.7 mA / cm 2 , current density after 1000 seconds: 1.6 mA / cm 2 ) was confirmed. In addition, the stability to photocurrent was also confirmed.

도 17은 본 발명의 실시예 2의 백색광 조건에서 0.58 및 0.83(V vs. RHE)의 과전압을 인가하였을 때의 전류 시간 특성을 도시한 그래프이고, 도 18은 본 발명의 실시예 2의 부산물을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 17 is a graph showing current time characteristics when overvoltages of 0.58 and 0.83 (V vs. RHE) are applied under the white light condition of Example 2 of the present invention, and FIG. 18 is a by-product of Example 2 of the present invention. It is a conceptual diagram for illustration.

도 17 및 도 18을 참고하면, 백색 부산물(800)을 동반한 수소 기포의 연속된 분출이 25 mA/cm2의 전류 밀도에서 관측되었다. 해수 분해의 정상(steady) 조건에서, 상기 부산물은 PEC 전지의 아래에 떨어져 있었다. Co3O4 전극의 표면 상의 상기 백색 부산물의 축적을 방지하기 위해서 PEC 전지의 아르곤(Ar) 퍼지가 수행되었다. Referring to FIGS. 17 and 18, a continuous ejection of hydrogen bubbles with white byproduct 800 was observed at a current density of 25 mA / cm 2 . In steady conditions of seawater decomposition, the by-products were below the PEC cell. An argon (Ar) purge of the PEC cell was performed to prevent accumulation of the white byproduct on the surface of the Co 3 O 4 electrode.

빛을 끔에 따라 확인된 획득된 전류 밀도는 2.1 mA/cm2의 전체 이득(net gain)을 보여준다. 상기의 광전류는 1800초 동안 매우 안정적으로 25 mA/cm2의 전류 밀도를 가진다. 전류 밀도는 인풋 바이어스(-0.58 vs RHE 및 -0.83 V vs RHE)에 비례한다. 0.83 V vs RHE의 조건에서는, 매우 향상된 25 mA/cm2 전류 밀도가 획득되고, 1800초 동안 매우 안정되게 측정된다.The obtained current density as seen with the light off shows a net gain of 2.1 mA / cm 2 . The photocurrent is very stable for 1800 seconds and has a current density of 25 mA / cm 2 . Current density is proportional to the input bias (-0.58 vs RHE and -0.83 V vs RHE). At conditions of 0.83 V vs RHE, a very improved 25 mA / cm 2 current density is obtained and measured very stably for 1800 seconds.

실험예 5Experimental Example 5

실시예 2의 워킹 전극의 IPCE(incident photon to charge carrier efficiency)를 측정하기 위해서 λ = 365, 460, 520, 및 620 nm의 다양한 파장(λ)의 단색 광원을 사용하였다. IPCE란 광 유도 광전류와 입사 광자의 비율을 파장의 함수로 나타낸 것을 의미하고, IPCE = (1240 X JPhoto X 100)/(λ X ILight)에 의해서 계산될 수 있다. 여기서, JPhoto는 광 전류 밀도이고, ILight는 파장에 따른 빛의 강도이다.In order to measure the incident photon to charge carrier efficiency (IPCE) of the working electrode of Example 2, a monochromatic light source having various wavelengths (λ) of λ = 365, 460, 520, and 620 nm was used. IPCE means the ratio of the photo-induced photocurrent and the incident photon as a function of the wavelength, it can be calculated by IPCE = (1240 XJ Photo X 100) / (λ XI Light ). Where J Photo is the light current density and I Light is the intensity of light according to the wavelength.

도 19는 본 발명의 실시예 2의 다양한 입사광의 파장에 따른 전류 시간 특성을 도시한 그래프이다.19 is a graph showing the current time characteristic according to the wavelength of various incident light of Example 2 of the present invention.

도 19를 참조하면, 훌륭한 광반응이 넓은 파장 빛에 거쳐 획득되고, 짧은 파장에서 큰 전류 강화가 나타난다. Co3O4 전극은 현재의 BiVO4/Co3O4 시스템의 전류 과도 현상에서 보여지는 용량성 효과(capacitive effect)와는 달리 즉각적인 전류 변화에 대해서 적은 트랩 효과를 가진다.Referring to Fig. 19, a good photoreaction is obtained via wide wavelength light, and large current enhancement appears at short wavelengths. Co 3 O 4 electrodes have little trapping effect on instantaneous current changes, unlike the capacitive effects seen in current transients in current BiVO 4 / Co 3 O 4 systems.

도 20은 본 발명의 실시예 2의 -0.33(V vs. RHE)에서의 파장에 따른 IPCE(incident photon to charge carrier efficiency)를 도시한 그래프이다.FIG. 20 is a graph illustrating incident photon to charge carrier efficiency (IPCE) according to wavelength at −0.33 (V vs. RHE) of Example 2 of the present invention. FIG.

도 20을 참조하면, IPCE 대 파장의 관계는 도 8 및 도 9에서 나타났던 투과도 및 흡수 스펙트럼과 잘 대응된다. 150nm 두께의 다공성이고 반투명한 Co3O4 광음극은 λ = 365 nm일 때, 약 9%만큼 높은 IPCE를 보여준다. 상기 IPCE 결과는 높은 광학 흡수, 과도한 전하 발생 및 분리 때문에 Co3O4 광음극이 수소 발생을 향상시키는 데에 효과적임을 보여준다.Referring to FIG. 20, the relationship of IPCE to wavelength corresponds well to the transmission and absorption spectra shown in FIGS. 8 and 9. The 150 nm thick porous and translucent Co 3 O 4 photocathode shows an IPCE as high as about 9% when λ = 365 nm. The IPCE results show that Co 3 O 4 photocathodes are effective at enhancing hydrogen evolution because of high optical absorption, excessive charge generation and separation.

광자의 긴 파장에서의 다공성 Co3O4 필름의 높은 광학 투과도 즉, IPCE는 단파장 광자에 비해 낮게 유지됩니다. 높은 투과도의 이점 때문에, Co3O4 광양극은 광활성 HER 촉매로 해수로부터 태양광 수소 발생을 위한 Si, InP 및 GaAs와 같은 기존의 태양 에너지 물질과 통합될 수 있다.Porous Co 3 O 4 at long wavelengths of photons The high optical transmission of the film, i.e. the IPCE, remains low compared to short wavelength photons. Because of the advantage of high permeability, Co 3 O 4 Photoanodes can be integrated with existing solar energy materials such as Si, InP and GaAs for solar hydrogen generation from seawater with photoactive HER catalysts.

실험예 6Experimental Example 6

실시예 2의 워킹 전극의 평활 전위(flat band potential, VFB), 캐리어 농도(carrier concentration) 및 다수 캐리어의 도전형을 분석하기 위해서 모트 쇼트키(Mott-Schottky) 측정이 수행되었다. Mott-Schottky measurements were performed to analyze the flat band potential (V FB ), carrier concentration and conductivity of the multiple carriers of the working electrode of Example 2.

도 21은 본 발명의 실시예 2의 암전(dark) 및 빛(light) 조건에서의 1/C2과 V의 그래프이다.21 is a graph of 1 / C 2 and V in dark and light conditions of Example 2 of the present invention.

도 21을 참조하면, 분명한 2개의 구별되는 기울기가 나타나고, 이는 2개의 에너지 밴드갭에 대응된다. 상기 음수의 선형적인 기울기는 어셉터 캐리어 농도(acceptor carrier concentration,NA) 및 VFB를 가지는 Co3O4 광양극의 p형 도전형을 나타낸다.Referring to FIG. 21, two distinct slopes appear, which correspond to two energy bandgaps. The negative linear slope is Co 3 O 4 with acceptor carrier concentration (N A ) and V FB The p-type conductivity of the photoanode is shown.

상기 모트 쇼트키 특성의 측정은 암전 및 빛 조건에서 수행되어 광생성된 과도 캐리어에 따라 NA값의 변화를 유도한다. VFB 및 NA값을 찾기 위해서, Co3O4 전극의 에너지 밴드갭 추정치가 존재하는 2개의 에너지 밴드갭(Eg1 = 1.5 eV 및 Eg2 = 2.3 eV)으로 사용될 수 있다.The measurement of the Mort Schottky characteristic is performed under dark and light conditions to induce a change in N A value depending on the photogenerated transient carriers. V FB And Co 3 O 4 to find the value of N A. It can be used with two energy bandgaps (E g1 = 1.5 eV and E g2 = 2.3 eV) where the energy bandgap estimate of the electrode is present.

도 21에서는, 빛 조건의 Eg1에 대한 어셉터 캐리어(NA1)의 큰 변화가 나타난다. 암전 조건 하에서, NA1값은 7 X 1019cm-3이다. 반면에 빛 조건 하에서는 매우 강화된 과도 캐리어가 NA1 =7X1020 cm-3으로 나타난다. Eg2의 경우는 암전 조건에서의 NA2 =3.7 X 1019 cm-3 및 빛 조건에서의 NA2 =6.4 X 1019 cm-3의 상대적으로 완화된 변화가 나타난다.In FIG. 21, a large change of the acceptor carrier N A1 with respect to E g1 in the light condition is shown. Under dark conditions, the N A1 value is 7 × 10 19 cm −3 . On the other hand, under light conditions, a very enhanced transient carrier appears N A1 = 7 × 10 20 cm −3 . In the case of E g2 , there are relatively relaxed changes in N A2 = 3.7 × 10 19 cm −3 under dark conditions and N A2 = 6.4 × 10 19 cm −3 under light conditions.

VFB1 및 VFB2 값은 각각 0.78 및 0.18 V vs RHE이 Eg1 = 1.5 eV 및 Eg2 = 2.3 eV에 대응되는 페르미 레벨(EF)에 할당된다.The V FB1 and V FB2 values are assigned to Fermi levels (E F ) where 0.78 and 0.18 V vs RHE respectively correspond to E g1 = 1.5 eV and E g2 = 2.3 eV.

도 22는 본 발명의 실시예 2의 정상 상태(Steady-state)의 전류 전압 특성을 도시한 그래프이다.FIG. 22 is a graph showing the current-voltage characteristics of the steady-state of Example 2 of the present invention. FIG.

도 22를 참조하면, 전류 전압 곡선은 0.72 및 0.12 V vs RHE의 2개의 온셋 전압을 명확하게 보여주고, 이는 각각 0.78 및 0.18 V vs RHE의 VFB값에 대응한다. 이중 밴드 갭의 존재 때문에, -0.35 V vs RHE에서 0.2 mA/cm2 의 높은 광전류가 나타나고, 0.12 V vs RHE의 제2 온셋 전압에서 빠르게 감소된다.Referring to FIG. 22, the current voltage curve clearly shows two onset voltages of 0.72 and 0.12 V vs RHE, which correspond to the V FB values of 0.78 and 0.18 V vs RHE, respectively. Because of the presence of a double band gap, a high photocurrent of 0.2 mA / cm 2 appears at -0.35 V vs RHE and rapidly decreases at a second onset voltage of 0.12 V vs RHE.

도 23은 Co3O4의 이중 밴드갭의 추정 에너지 밴드 엣지를 도시한 다이어 그램이다. 도 23에서, EC 및 EV는각각 컨덕션 및 밸런스 밴드이다. 나아가 도 24는 본 발명의 실시예 2의 일반적인 공핍(normal depletion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 25는 본 발명의 실시예 2의 인버전(inversion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 26은 본 발명의 실시예 2의 딥 인버전(deep inversion) 상황의 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 23 is a diagram illustrating an estimated energy band edge of a double bandgap of Co 3 O 4 . In Figure 23, E C and E V are the conduction and balance bands, respectively. Furthermore, FIG. 24 is an energy band diagram of a general depletion situation of Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 25 is an energy band diagram of an inversion situation of Embodiment 2 of the present invention. FIG. 26 is an energy band diagram of a deep inversion situation of Embodiment 2 of the present invention. FIG.

실험예 7Experimental Example 7

Co3O4의 표면 상의 HER 운동력(kinetic)을 조사하기 위해서 EIS(electrochemical impedance spectroscopy) 분석이 수행되었다. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis was performed to investigate the HER kinetic on the surface of Co3O4.

도 27은 본 발명의 실시예 2의 과전압이 인가되었을 때의 나이퀴스트 선도(Nyquist plots)이고, 도 28은 본 발명의 실시예 2에서 -0.44 내지 -0.53(V vs. RHE)에서의 측정 및 추정 파라미터를 나타낸 표이다.FIG. 27 shows Nyquist plots when the overvoltage of Example 2 of the present invention is applied, and FIG. 28 is measured at -0.44 to -0.53 (V vs. RHE) in Example 2 of the present invention. And a table showing estimation parameters.

도 27은 (0.44-0.53 V)의 다양한 과전압 값에서 전하 이동 저항(charge-transfer resistance, Rct)에 대해서 일회성 행동(one-time constant behaviors)을 보여주는 하나의 반원 궤적이다. 상기 곡선은 도 27 내에 도시된 등가 회로도에 의해서 나타날 수 있다. 여기서, RS 및 Q는 각각 직렬 저항 및 일정한 위상 요소(constant phase element)이다. 나이퀴스트 선도의 하나의 반 원은 운동학적 임피던스(kinetic impedance)가 HER 활동성을 제어하는 주축임을 암시한다.FIG. 27 is one semicircle trajectory showing one-time constant behaviors for charge-transfer resistance (Rct) at various overvoltage values of (0.44-0.53 V). The curve can be represented by the equivalent circuit diagram shown in FIG. 27. Where R S and Q are the series resistance and constant phase element, respectively. One half circle of the Nyquist plot suggests that kinetic impedance is the major axis controlling HER activity.

도 27에 적용된 파라미터들은 도 28의 표에 정리되어 있다. 도 27 및 도 28을 참조하면, HER 전류 J와 Rct의 관계는 잘 정의되어 반비례관계를 보여준다. 작은 크기의 Rct를 가짐으로써, 향상된 HER 전류 값이 획득될 수 있다. 도 28에 나타나있듯이, 3.4 Ω/cm2의 계산된 Rct는 -0.53 V vs RHE의 전압에서 15.2 mA/cm2의 HER 전류 밀도가 가능하게 한다. The parameters applied to FIG. 27 are summarized in the table of FIG. 28. 27 and 28, the relationship between the HER current J and Rct is well defined and shows an inverse relationship. By having a small magnitude of Rct, an improved HER current value can be obtained. As shown in FIG. 28, the calculated Rct of 3.4 Ω / cm 2 enables a HER current density of 15.2 mA / cm 2 at a voltage of −0.53 V vs RHE.

이는 Co3O4/FTO 전극이 해수 분해의 훌륭한 HER 성능을 가지는 것을 의미한다. 명백하게, 다공성 Co3O4 구조는 타펠 공정(화학 탈착: Hads +Hads→H2)을 촉진시키고, 이는 볼머 헤이로프스키(Volmer-Heyrovsky) 공정보다 유리하다.This means that the Co 3 O 4 / FTO electrode has excellent HER performance of seawater decomposition. Clearly, the porous Co 3 O 4 structure facilitates the Tafel process (chemical desorption: H ads + H ads → H 2 ), which is advantageous over the Volmer-Heyrovsky process.

나아가, Rs값은 과전압의 변화와 상관없이 거의 일정(약 24.8 Ω/cm2)할 수 있다. FTO를 Ni 거품(foam)으로 교체하거나, 해수 분해 성능을 강화시키기 위해서 Co3O4의 표면을 장식(decoration)함으로써, 추가적인 Rs의 감소도 가능할 수 있다.Furthermore, the value of Rs can be almost constant (about 24.8 Ω / cm 2 ) regardless of the change in overvoltage. Further reduction of Rs may also be possible by replacing the FTO with Ni foam or by decorating the surface of Co 3 O 4 to enhance seawater decomposition performance.

실험예 8Experimental Example 8

다시, 도 18을 참조하면, 광음극 Co3O4는 타펠 반응(즉, 2H+ +2e-→H2)을 따르고, 백금 전극은 카운터 반응(2Cl-+2h+→ Cl2)을 따를 수 있다. 해수에서의 Cl2의 훨씬 높은 용해도 때문에 기포는 백금 전극에서는 발견되지 않았다. 도 18의 부산물(800)을 수집하여 실리콘 웨이퍼 상에 두고 N2 가스를 이용하여 건조하였다. 부산물(800)의 에너지분산형 스펙트럼(energy dispersive spectra, EDS)을 측정하였다.Again, Referring to Figure 18, photocathodes Co 3 O 4 is tapel reaction (i.e., 2H + + 2e - → H 2) to follow, the platinum electrode is a counter reaction may follow (2Cl + 2h + → Cl 2 ) have. Because of the much higher solubility of Cl 2 in seawater, no bubbles were found at the platinum electrode. By-product 800 of FIG. 18 was collected, placed on a silicon wafer, and dried using N 2 gas. The energy dispersive spectra (EDS) of the byproduct 800 were measured.

도 29는 본 발명의 실시예 2에서 획득된 부산물의 에너지분산형 스펙트럼(energy dispersive spectra, EDS)이다.FIG. 29 is an energy dispersive spectra (EDS) of the byproduct obtained in Example 2 of the present invention. FIG.

도 29를 참조하면, 부산물(800)은 해순 분해 이후의 Mg(OH)2 및 Ca(OH)2일 수 있다. 상기 EDS 분석은 Mg 및 Ca가 각각 17.7 및 0.23 at%로 나타났다. 이는 높은 비율의 Mg(OH)2일 수 있다. 적은 구성요소 비율(0.23%) 때문에 Ca(OH)2의 구성은 무시될 수 있다. 또한, Na 및 Cl의 약 11%의 동일한 비율은 PEC 전지에서 용해된 Cl2를 통한 NaCl에서 기인한다.Referring to FIG. 29, the byproduct 800 may be Mg (OH) 2 and Ca (OH) 2 after sea cucumber decomposition. The EDS analysis showed Mg and Ca of 17.7 and 0.23 at%, respectively. It may be a high proportion of Mg (OH) 2 . Due to the low component ratio (0.23%), the composition of Ca (OH) 2 can be ignored. In addition, the same ratio of about 11% of Na and Cl is due to NaCl via Cl 2 dissolved in PEC cells.

이상 실험예 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the experimental examples and the accompanying drawings, those skilled in the art may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. I can understand that it can be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

100: 전원부 200: 카운터 전극
300: 워킹 전극 400: 해수
100: power supply unit 200: counter electrode
300: working electrode 400: seawater

Claims (14)

전원부의 음극과 연결되어 전자를 공급받고, 해수에 침지되어 산소를 생성하는 카운터 전극; 및
상기 전원부의 양극과 연결되어 전류를 공급받고, 상기 해수에 상기 카운터 전극과 같이 침지되고, 빛이 입사되어 수소를 생성하는 워킹 전극을 포함하되,
상기 워킹 전극은 투명 전도체와,
상기 투명 전도체와 결합되고, 커켄달 보이드(Kirkendall void)를 포함하는 산화 코발트 필름을 포함하는 해수 분해 장치.
A counter electrode connected to the cathode of the power supply unit to receive electrons and immersed in seawater to generate oxygen; And
A working electrode connected to the anode of the power supply unit to receive a current, immersed in the sea water as the counter electrode, and injecting light to generate hydrogen;
The working electrode is a transparent conductor,
A seawater decomposition device coupled to the transparent conductor and comprising a cobalt oxide film comprising Kirkendall void.
제1 항에 있어서,
상기 산화 코발트 필름은 Co3O4를 포함하는 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The cobalt oxide film is a seawater decomposition apparatus comprising Co 3 O 4 .
제1 항에 있어서,
상기 카운터 전극은 Pt를 포함하는 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The counter electrode comprises Pt seawater decomposition apparatus.
제1 항에 있어서,
상기 산화 코발트 필름은 반투명한 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The cobalt oxide film is a translucent seawater decomposition device.
제1 항에 있어서,
상기 산화 코발트 필름의 두께는 10 내지 500nm인 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The thickness of the cobalt oxide film is 10 to 500nm seawater decomposition apparatus.
제1 항에 있어서,
상기 투명 전도체는 FTO(Fluorine-doped tin oxide), ITO(Indium tin oxide) 및 금속 나노선 중 적어도 하나를 포함하는 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The transparent conductor is a seawater decomposition apparatus including at least one of a fluorine-doped tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO) and metal nanowires.
제1 항에 있어서,
상기 워킹 전극은 표면에 부산물을 생성하는 해수 분해 장치.
The method of claim 1,
The working electrode is a seawater decomposition device to produce by-products on the surface.
제7 항에 있어서,
상기 부산물은 Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 중 적어도 하나를 포함하는 해수 분해 장치.
The method of claim 7, wherein
The by-product is at least one of Mg (OH) 2 and Ca (OH) 2 seawater decomposition apparatus.
투명 전도체; 및
상기 투명 전도체와 접하고, Co3O4을 포함하는 광촉매층을 포함하되,
상기 광촉매층은 커켄달 보이드를 포함하는 해수 분해 전극.
Transparent conductors; And
Including a photocatalyst layer in contact with the transparent conductor, Co 3 O 4 ,
The photocatalyst layer is a seawater decomposition electrode comprising a Kirkendal void.
제9 항에 있어서,
상기 투명 전도체와 접하는 투명 기판을 더 포함하는 해수 분해 전극.
The method of claim 9,
A seawater decomposition electrode further comprising a transparent substrate in contact with the transparent conductor.
투명 기판을 제공하고,
상기 투명 기판 상에 코발트 필름을 증착하고,
상기 코발트 필름을 급속 열처리하여 커켄달 디퓨전을 이용하여 Co3O4를 포함하는 산화 코발트 필름을 형성하는 것을 포함하는 해수 분해 전극 제조 방법.
Providing a transparent substrate,
Depositing a cobalt film on the transparent substrate,
Method of manufacturing a seawater decomposition electrode comprising the step of rapid heat treatment of the cobalt film to form a cobalt oxide film containing Co3O4 using a Kirkendal diffusion.
제11 항에 있어서,
상기 코발트 필름은 제1 두께이고,
상기 산화 코발트 필름은 제1 두께보다 큰 제2 두께인 해수 분해 전극 제조 방법.
The method of claim 11, wherein
The cobalt film is of a first thickness,
The cobalt oxide film is a second thickness larger than the first thickness of the seawater decomposition electrode manufacturing method.
제11 항에 있어서,
상기 급속 열처리는 제1 및 제2 구간을 포함하고,
상기 제1 구간은 제1 온도에서 수행되고,
상기 제2 구간은 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 수행되는 해수 분해 전극 제조 방법.
The method of claim 11, wherein
The rapid heat treatment includes first and second sections,
The first section is performed at a first temperature,
The second section is a seawater decomposition electrode manufacturing method performed at a second temperature higher than the first temperature.
제13 항에 있어서,
상기 급속 열처리는 제1 및 제2 구간을 포함하고,
상기 제1 구간은 상온에서 중간 온도까지 온도를 상승시키고,
상기 제2 구간은 상기 중간 온도에서 최대 온도까지 온도를 상승시키는 해수 분해 전극 제조 방법.
The method of claim 13,
The rapid heat treatment includes first and second sections,
The first section raises the temperature from room temperature to an intermediate temperature,
The second section is a seawater decomposition electrode manufacturing method for raising the temperature from the intermediate temperature to the maximum temperature.
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