KR102304054B1 - A device seperating and collecting gas without membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명의 인공잎 장치는 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때, 전지부가 물 위에 드러나 있고, 전극부가 수중에 존재하여 인공잎 장치에 사용될 빛이 물에 흡수되어 손실되는 과정을 줄이는 동시에 수중에 존재하는 전극부에 의해 전기분해가 진행될 수 있다.
또한, 상기 전극부는 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면 (slippery liquid infused porous surface, SLIPS)로 개질되어 있으며, 상기 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면은 적절한 호기성으로 인해, 전기분해로 발생한 수소 및 산소가 이탈하지 않고 SLIPS 상의 가스 벽을 따라 이동하여 포집될 수 있다.
In the artificial leaf device of the present invention, when the artificial leaf device is floated on water, the battery part is exposed on the water, and the electrode part is present in the water, so that the light to be used for the artificial leaf device is absorbed by water and is lost in water while reducing the process Electrolysis may proceed by the electrode part.
In addition, the electrode part is modified with a liquid-infused slippery porous surface (SLIPS), and the liquid-injected slippery porous surface has adequate aerobicity, so hydrogen and oxygen generated by electrolysis do not escape without SLIPS It can travel along the gas wall of the bed and be trapped.

Description

멤브레인 필요없는 기체 분리 및 포집 장치{A DEVICE SEPERATING AND COLLECTING GAS WITHOUT MEMBRANE}A DEVICE SEPERATING AND COLLECTING GAS WITHOUT MEMBRANE

본 발병은 멤브레인 필요없는 기체 분리 및 포집 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-free gas separation and capture device.

세계 인구가 폭발적으로 증가함에 따라, 에너지 위기에 대처하기 위해 대체 연료를 개발하는 데 큰 관심이 집중되고 있다. 풍부한 태양 에너지 전환에서 유래된 태양 연료는 깨끗하고 지속, 저장 가능하며 환경 친화적인 자원으로 큰 주목을 받았다. 태양 수 분리(solar water splitting)에서 얻은 수소는 그러한 태양 연료이다. Honda 및 Fujishima가 TiO2 광전기 화학 (photoelectrochemical cell, PEC) 전지를 처음 발견한 이후로, 확산성 태양 에너지를 화학 에너지로 변형시키기 위해 다양한 유형의 태양 수 분리 방법이 연구되어왔다. As the world's population explodes, great attention is focused on developing alternative fuels to combat the energy crisis. Solar fuels derived from the abundant solar energy transition have received great attention as a clean, sustainable, storable and environmentally friendly resource. Hydrogen obtained from solar water splitting is such a solar fuel. Since Honda and Fujishima first discovered the TiO 2 photoelectrochemical cell (PEC) cell, various types of solar water separation methods have been studied to transform diffusive solar energy into chemical energy.

많은 태양광 연료 장치 중에서도, 광전지(Photovoltaic, PV)-전해 시스템은 고성능 및 태양 연료 제조 분야의 다양한 응용으로 인해 활발히 연구되어 왔다. 초기 단계에서, O. Khaselev 및 J. A. Turner는 수소와 GaAs-GaInAs PV 직렬(tandem) 전지를 수소 발생 반응 (Hydrogen evolution reaction, HER) 전극 및 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER) 전극과 결합하여 12.4%의 태양 대 수소 변환 효율을 달성했다. 직렬 PV 전지의 높은 재료 비용 및 복잡한 제조 공정으로 인해, 직렬 타입 구성은 CuInGaSe2 (CIGS) 및 페로브스카이트 단위 전지와 같은, 박막 PV 전지를 상호 연결함으로써 비용 효율적인 PV 전지로 직렬형(series type) 배열이 제안되어왔다. 이러한 직렬 배열은 상호 연결된 전지 수에 따라 전력 생성을 용이하게 제어할 수 있어 태양 연료 변환 반응을 목표로 최적화한다. 따라서 수 분리 외에도 PV-전해는 CO2 변환 또는 N2 고정과 같은 다른 태양 연료 발전으로 응용을 확장할 수 있는 잠재력이 크다.Among many solar fuel devices, photovoltaic (PV)-electrolysis systems have been actively studied due to their high performance and various applications in the field of solar fuel manufacturing. In an early stage, O. Khaselev and JA Turner combined hydrogen and GaAs-GaInAs PV tandem cells with hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) electrodes in 12.4 % solar-to-hydrogen conversion efficiency was achieved. Due to the high material cost and complex manufacturing process of series PV cells, the series type configuration can be used to interconnect thin film PV cells, such as CuInGaSe 2 (CIGS) and perovskite unit cells, into a cost-effective series type PV cell. ) arrays have been proposed. This series arrangement allows easy control of power generation according to the number of interconnected cells, thus optimizing the targeted solar fuel conversion reaction. Therefore, in addition to water separation, PV-electrolysis has great potential to extend its applications to other solar fuel power generation such as CO 2 conversion or N 2 fixation.

PV 전기 분해의 또 다른 중요한 문제는보다 편리하고 실용적인 사용을 위한 시스템의 기능 설계이다. Nocera 등은 규소 PV 탠덤 전지와 지구에 풍부한 촉매를 결합함으로써 모놀리식 무선 PV 전기분해(monolithic and wireless PV-electrolysis), 소위 인공잎 (artificial leaf)을 증명하였다. 전형적인 인공잎은 연장된 이온 우회(ion detouring)와 관련된 확장성 문제가 있지만, 이러한 단점은 스마트하고 목적 지향적인 모놀리식 모듈 설계로 해결될 수 있다. 예를 들어, 평면 및 부유 특성을 가진 다양한 환경에 적용할 수 있는 다목적 인공잎 디자인이 제안되었다. 이러한 독특한 특성은 인공잎에 짧은 이온 경로, 부유성, 재활용성 및 확장성과 같은 유용한 기능을 제공한다.Another important issue of PV electrolysis is the functional design of the system for more convenient and practical use. Nocera et al. demonstrated monolithic and wireless PV-electrolysis, the so-called artificial leaf, by combining a silicon PV tandem cell with an Earth-rich catalyst. Typical artificial leaves have scalability problems associated with extended ion detouring, but these shortcomings can be addressed with a smart, purpose-oriented monolithic module design. For example, a multi-purpose artificial leaf design that can be applied to various environments with planar and floating characteristics has been proposed. These unique properties provide artificial leaves with useful features such as short ion pathways, buoyancy, recyclability and scalability.

모듈 성능 및 기능이 눈에 띄게 향상 되었음에도 불구하고 여전히 수 분리에서 생성물 가스의 분리 및 수집과 관련된 중요한 문제를 해결하지 못한다. 본 발명의 모놀리식 PV-전기분해 모듈에서, H2 가스 생성물은 필연적으로 대응하는 생성물인 O2 가스와 혼합된다. 따라서 순수한 H2 가스 연료를 얻기 위해서는 제품 분리를 위한 추가 에너지와 공정이 필요하다. 고전적인 전기 분해 시스템은 이온 교환 멤브레인으로 이 문제를 해결했지만 이 멤브레인 시스템은 상용 전기 분해 시스템 (1,000 -1,500 $ KW-1)에서 자본 비용의 40 % 이상을 차지한다. 또한, 소형 및 모놀리식 장치에 대한 적용에는 몇 가지 실질적인 한계가 있다. 복잡하고 고비용인 제조 과정이 필요할뿐만 아니라 멤브레인 시스템은 복잡한 시스템의 오염 및 부식과 관련된 내구성 문제를 유발시킨다. 지금까지 여러 가지 시도가 운동 가스 분리를 위해 다양한 추진력을 활용하여 멤브레인이 없는 모듈을 개발하려고 시도했지만, 이들은 모놀리식 인공잎 장치의 실제 사용을 크게 제한하는 추가 외부 에너지 이동 대류 흐름, 매우 복잡한 모듈 설계 및 엄격하게 관리되는 조건이 필요하다.Despite significant improvements in module performance and functionality, it still does not solve the important problems associated with the separation and collection of product gases in water separation. In the monolithic PV-electrolysis module of the present invention, the H 2 gas product is necessarily mixed with the corresponding product, O 2 gas. Therefore, additional energy and process for product separation are required to obtain pure H 2 gaseous fuel. Classical electrolysis systems have solved this problem with ion exchange membranes, but these membrane systems account for more than 40% of the capital cost in commercial electrolysis systems (1,000 -1,500 $ KW -1 ). In addition, there are some practical limitations to its application to small and monolithic devices. In addition to requiring complex and expensive manufacturing processes, membrane systems introduce durability problems associated with contamination and corrosion of complex systems. So far, several attempts have been made to develop membrane-less modules utilizing various driving forces for kinetic gas separation, but these have additional external energy transfer convective flows, very complex modules, which greatly limit the practical use of monolithic artificial leaf devices. It requires design and strictly controlled conditions.

본 발명에서, 본 발명자들은 멤브레인이나 외부 에너지 없이 가스 버블을 조작하고 선택적으로 수집할 수 있는 매우 소형의 모놀리식 PV 전기 분해 장치를 기반으로 간단하지만 효과적인 가스 분리 시스템을 발명했다. 생체 모방적 표면 개질을 통해, HER/OER 전극은 90 % 초과의 가스 포집 효율 및 높은 순도로 H2 및 O2의 매우 효율적인 가스 버블 포집, 수송 및 수집을 보여주었다. 전기 분해 제품 가스 버블을 조작하기 위해, PV-전기분해 시스템의 HER/OER 전극의 개질에 낭상엽 식물(pitcher-plant)을 생체모방한 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면 (slippery liquid infused porous surface, SLIPS)이 사용된다. 각각의 HER 및 OER 전극에서 H2 및 O2 가스가 생성될 때, 부력은 이들을 각 경사진 전극 표면을 따라 위로 이동시키도록 유도한다. 이들 공정에서, 각각의 전극의 측면 에지 상에 증착된 생체 모방형 SLIPS 벽은 가스 버블을 수집 포트로 포집 및 수송하여, 전극 표면으로부터 가스 버블의 누출을 방지한다. 경사 SLIPS 전극의 설계 및 특성으로 인해, 생성된 H2 및 O2 가스는 크로스오버 또는 손실없이 각 제품 포트에서 선택적으로 수집 될 수 있다. 이 간단하고 효율적인 가스 분리 기능은 경사진 SLIPS-개질 HER/OER 전극이 상호 연결된 CuInS2 (CIS) PV와 결합된 특정 모놀리식 PV-전기분해 시스템에도 적용된다. 또한, 멤브레인이 없는 이 독특한 인공잎은 내부에 자유 공간이 봉입되어 수면에 부유할 수 있어 전체 조명 활용도, 재사용성 등과 같은 추가적인 장점을 제공한다.In the present invention, we have invented a simple but effective gas separation system based on a very compact monolithic PV electrolysis device that can manipulate and selectively collect gas bubbles without membranes or external energy. Through biomimetic surface modification, the HER/OER electrode showed highly efficient gas bubble trapping, transport and collection of H 2 and O 2 with a gas trapping efficiency of greater than 90% and high purity. To manipulate electrolysis product gas bubbles, a slippery liquid infused porous surface (SLIPS) biomimicking a pitcher-plant for modification of the HER/OER electrode of a PV-electrolysis system this is used As H 2 and O 2 gases are generated at each of the HER and OER electrodes, the buoyancy forces them to move upward along each inclined electrode surface. In these processes, biomimetic SLIPS walls deposited on the side edge of each electrode trap and transport gas bubbles to a collection port, preventing leakage of gas bubbles from the electrode surface. Due to the design and characteristics of the inclined SLIPS electrodes, the generated H 2 and O 2 gases can be selectively collected at each product port without crossover or loss. This simple and efficient gas separation capability also applies to certain monolithic PV-electrolysis systems in which inclined SLIPS-modified HER/OER electrodes are combined with interconnected CuInS 2 (CIS) PVs. In addition, these unique artificial leaves without membranes can float on the water surface with enclosed free space inside, providing additional advantages such as overall lighting utilization and reusability.

KR 10-1952154KR 10-1952154

본 발명에서는 In the present invention

물 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,As an artificial leaf device that can be operated by floating on water,

빛 에너지를 이용하여 물의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of water by using light energy; and

상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 물을 분해하는 수소 발생 전극부와 산소 기체를 생성하는 전극부; 를 포함하고, 상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고, a hydrogen generating electrode unit receiving electric potential from the battery unit to decompose water through electrolysis and an electrode unit generating oxygen gas; Including, two electrode parts are connected to both ends of the battery part at the lower end of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,

상기 전극부는 물 전기분해로부터 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며,The electrode part has a slippery liquid infused porous surface to collect hydrogen gas or oxygen gas generated from water electrolysis,

상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,

상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 물과 접촉되는 것을 특징으로 하는,A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the water,

인공잎 장치를 제공하는 것을 목표로 한다.It aims to provide an artificial leaf device.

또한 본 발명에서는 상기 인공잎 장치를 이용한 수소 기체 포집 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for collecting hydrogen gas using the artificial leaf device.

또한 본 발명에서는 상기 인공잎 장치를 이용한 산소 기체 포집 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for collecting oxygen gas using the artificial leaf device.

또한 본 발명에서는 액체 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,In addition, in the present invention, as an artificial leaf device that can be operated by floating on a liquid,

빛 에너지를 이용하여 액체의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of a liquid by using light energy; and

상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 액체를 분해하는 산화 전극부 및 환원 전극부; 를 포함하고,an oxidation electrode unit and a reduction electrode unit receiving a potential from the battery unit and decomposing the liquid through electrolysis; including,

상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고,At the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,

상기 2개의 전극부 중 하나는 음극이고, 다른 하나는 양극이고,One of the two electrode parts is a cathode, the other is an anode,

상기 전극부는 액체의 전기분해로부터 생성된 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며,The electrode part has a slippery liquid infused porous surface so as to collect the gas generated from the electrolysis of the liquid,

상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,

상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 액체와 접촉되는 것을 특징으로 하는,A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the liquid,

인공잎 장치를 제공하는 것을 목표로 한다.It aims to provide an artificial leaf device.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태는 One aspect of the present invention for achieving the above object is

물 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,As an artificial leaf device that can be operated by floating on water,

빛 에너지를 이용하여 물의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of water by using light energy; and

상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 물을 분해하는 수소 발생 전극부와 산소 기체를 생성하는 전극부; 를 포함하고,a hydrogen generating electrode unit receiving electric potential from the battery unit to decompose water through electrolysis and an electrode unit generating oxygen gas; including,

상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고,At the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,

상기 전극부는 물 전기분해로부터 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며,The electrode part has a slippery liquid infused porous surface so as to collect hydrogen gas or oxygen gas generated from water electrolysis,

상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,

상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 물과 접촉되는 것을 특징으로 하는,A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the water,

인공잎 장치이다.artificial leaf device.

상기 인공잎 장치는 물이 풍부하고 맑은 환경뿐만 아니라 물이 부족하고 부유물로 인해 깨끗하지 않은 다양한 자연 환경에서 광전분해가 가능하고, 장치의 사용 후 재활용하고 환경 오염을 예방하기 위해 쉽게 회수될 수 있는 실용적이고 기능적인 구조로 형성된다.The artificial leaf device can be photoelectrolyzed in a variety of natural environments that are not clean due to water scarcity and floating as well as water-rich and clear environments, and can be recycled after use and can be easily recovered to prevent environmental pollution. It is formed into a practical and functional structure.

상기 인공잎 장치는 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때, 전지부가 물 위에 드러나 있고, 전극부가 수중에 존재하여 인공잎 장치에 사용될 빛이 물에 흡수되어 손실되는 과정을 줄이는 동시에 수중에 존재하는 전극부에 의해 전기분해가 진행될 수 있다.In the artificial leaf device, when the artificial leaf device is floated on water, the battery part is exposed on the water, and the electrode part is present in the water, thereby reducing the process in which the light to be used for the artificial leaf device is absorbed and lost in water. Electrolysis may proceed by part.

또한, 상기 인공잎 장치는 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 갖는 2개의 전극부를 통해 전기분해에 의해 생성되는 수소 기체와 산소 기체를 크로스오버 없이, 포집, 수송 및 수집할 수 있다.In addition, the artificial leaf device can collect, transport and collect hydrogen gas and oxygen gas generated by electrolysis without crossover through two electrodes having a slippery liquid infused porous surface. have.

상기 전지부는 수퍼스트레이트형 태양 전지 단위 유닛이 적어도 2개 이상 연결된 직렬형 태양 전지인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The battery unit may be a series type solar cell in which at least two or more superstrate type solar cell unit units are connected.

따라서 본 발명은 물의 양과 투명도에 관계없이 다양한 수중 환경에서 사용되고 회수될 수 있는 인공잎 장치를 제공한다. 도 4b에 본 발명의 일 실시예에 따른 인공잎 장치를 나타내는 모식도를 나타내었다.Accordingly, the present invention provides an artificial leaf device that can be used and recovered in various aquatic environments regardless of the amount and transparency of water. 4b is a schematic diagram showing an artificial leaf device according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 인공잎 장치는 빛 에너지를 이용하여 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 전지부 및 상기 전지부로부터 전위를 제공받아 물의 전기분해를 통해 수소 기체와 산소 기체를 생성하는 전극부를 포함한다.The artificial leaf device according to the present invention includes a battery unit that provides a potential required for electrolysis using light energy, and an electrode unit that receives a potential from the battery unit and generates hydrogen gas and oxygen gas through electrolysis of water.

상기 전지부는 빛 에너지를 이용하여 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 수단으로서, 수퍼스트레이트(superstrate)형 태양 전지 또는 페로브스카이트(perovskite)형 태양 전지를 사용할 수 있다.The cell unit may use a superstrate-type solar cell or a perovskite-type solar cell as a means for providing an electric potential required for electrolysis by using light energy.

수퍼스트레이트형 태양 전지는 투광성 기판 상부에 투명전극(Transparent Conductive Oxide; TCO)이 먼저 형성되고, 그 이후에 광흡수층 및 배면전극이 형성되는 구조로서, 대기 중의 이물질이나 수분 등으로부터 보호하기 용이하며, 투명전극 상부에 보호층이나 인캡슐레이션을 추가로 형성할 필요가 없어 구조가 단순해지는 장점이 있다. 또한, 수퍼스트레이트형 태양 전지는 기판 상부에 배면전극, 광흡수층 및 투명전극 등이 형성된 서브스트레이트형 태양 전지에 비하여 경량인 장점이 있다.The super-straight solar cell has a structure in which a transparent conductive oxide (TCO) is first formed on a light-transmitting substrate, and then a light absorption layer and a back electrode are formed. Since there is no need to additionally form a protective layer or encapsulation on the transparent electrode, there is an advantage in that the structure is simplified. In addition, the super-straight solar cell has an advantage of being lightweight compared to the substrate-type solar cell in which a back electrode, a light absorption layer, a transparent electrode, and the like are formed on a substrate.

상기 전지부는 투광성 기판, 투광성 기판 상에 형성된 투명 전극, 투명 전극 상에 형성된 광흡수층 및 광흡수층 상에 형성된 배면 전극을 포함한다. 도 10에 본 발명의 일실시예에 따른 수퍼스트레이트형 태양전지 구조의 개략도를 나타내었다.The battery unit includes a light-transmitting substrate, a transparent electrode formed on the light-transmitting substrate, a light absorption layer formed on the transparent electrode, and a rear electrode formed on the light absorption layer. 10 shows a schematic diagram of the structure of a super-straight solar cell according to an embodiment of the present invention.

투광성 기판은 광을 투과시킬 수 있는 광투과성 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 물질로는 유리(glass)나 투명한 폴리머(polymer) 등이 사용될 수 있다. 또한, 기판은 외부 환경에 노출되기 때문에, 기상 상태나 수중의 오염 물질 등의 외부 환경에 대하여 우수한 내구성을 갖는 유리(glass)로 형성되는 것이 좋다.The light-transmitting substrate is preferably formed of a light-transmitting material capable of transmitting light, and as such a material, glass or a transparent polymer may be used. In addition, since the substrate is exposed to the external environment, it is preferable to be formed of glass having excellent durability against external environments such as gaseous state or contaminants in water.

투명 전극은 투명 전도성 산화물, 투명 전도성 황화물, 투명 전도성 질화물 등 광 투과성 및 전기 전도성을 갖는 물질로 형성되고, 바람직하게는 투명 전도성 산화물을 사용하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 산화주석 (SnO2), 산화아연(ZnO), 산화인듐(InO), 인듐함유 산화 주석(ITO), 불소함유 산화주석(FTO) 등을 사용하는 것이 좋다.The transparent electrode is formed of a material having light transmittance and electrical conductivity, such as a transparent conductive oxide, a transparent conductive sulfide, and a transparent conductive nitride, preferably a transparent conductive oxide, more preferably a tin oxide (SnO 2 ), It is preferable to use zinc oxide (ZnO), indium oxide (InO), indium-containing tin oxide (ITO), or fluorine-containing tin oxide (FTO).

광흡수층은 상기 투광성 기판을 통해 입사되는 빛 에너지를 흡수하는 층으로서, 수퍼스트레이트형 태양 전지의 경우 투명 전극 상에 형성되어 반사방지 및 윈도우 역할을 하는 나노구조체 코어, 상기 나노구조체 코어를 피복하면서 투명 전극 상에 형성되어 버퍼층 역할을 하는 나노 쉘 및 상기 나노구조체 코어 및 나노 쉘 상에 평편하게 형성되어 광흡수 역할을 하는 인필트레이션(infiltration)층을 포함한다. 상기 나노구조체 코어는 ZnO, TiO2, SnO를 이용하여 로드 형태를 포함한 다양한 나노구조체 형상으로 형성된다.The light absorption layer is a layer that absorbs light energy incident through the light-transmitting substrate. In the case of a super-straight solar cell, the nanostructure core is formed on the transparent electrode to prevent reflection and serves as a window, and the nanostructure core is transparent while covering the core. It is formed on the electrode and includes a nanoshell serving as a buffer layer, and an infiltration layer formed flat on the nanostructure core and the nanoshell to serve as a light absorption layer. The nanostructure core is formed in various nanostructure shapes including rod shapes using ZnO, TiO 2 , and SnO.

상기 쉘은 CdS, In(O,S), Zn(O,S), InS, ZnS 또는 CdSe로 형성된다. 상기 인필트레이션층(133)은 CuInS2(CIS), CuGaS2(CGS), CuInSe2(CISe), CuGaSe2(CGSe), CuAlSe2(CASe), CuInTe2(CITe), CuGaTe (CGTe), Cu(In,Ga)S (CIGS), Cu(In,Ga)Se(CIGSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 및 CdTe으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상을 포함하여 형성된다. 바람직하게는 105 cm-1의 높은 광 흡수 계수와 1.5 eV의 밴드 갭을 가지며 가시 광선 범위를 커버하여 전자-홀의 쌍을 효율적으로 형성할 수 있는 CuInS2(CIS), Cu(In,Ga)S (CIGS) 또는 Cu2ZnSnS4(CZTS) 를 포함하는 것이 좋다.The shell is formed of CdS, In(O,S), Zn(O,S), InS, ZnS or CdSe. The infiltration layer 133 is CuInS 2 (CIS), CuGaS 2 (CGS), CuInSe 2 (CISe), CuGaSe 2 (CGSe), CuAlSe 2 (CASe), CuInTe 2 (CITe), CuGaTe (CGTe), Cu(In,Ga)S (CIGS), Cu(In,Ga)Se(CIGSe), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), and CdTe are formed including one or more selected from the group consisting of. Preferably, CuInS 2 (CIS), Cu(In,Ga)S, which has a high light absorption coefficient of 105 cm -1 and a band gap of 1.5 eV and can efficiently form electron-hole pairs by covering the visible light range. (CIGS) or Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS).

상기 인필트레이션층은 CuInS2(CIS), CuGaS2(CGS), CuInSe2(CISe), CuGaSe2(CGSe), CuAlSe2(CASe), CuInTe2(CITe), CuGaTe(CGTe), Cu(In,Ga)S(CIGS), Cu(In,Ga)Se(CIGSe), Cu2ZnSnS4(CZTS) 및 CdTe으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상을 포함하여 형성된다. 바람직하게는 105 cm-1의 높은 광 흡수 계수와 1.5 eV의 밴드 갭을 가지며 가시 광선 범위를 커버하여 전자 - 홀의 쌍을 효율적으로 형성할 수 있는 CuInS2(CIS), Cu(In,Ga)S (CIGS) 또는 Cu2ZnSnS4(CZTS) 를 포함하는 것이 좋다.The infiltration layer is CuInS 2 (CIS), CuGaS 2 (CGS), CuInSe 2 (CISe), CuGaSe 2 (CGSe), CuAlSe 2 (CASe), CuInTe 2 (CITe), CuGaTe (CGTe), Cu (In ,Ga)S(CIGS), Cu(In,Ga)Se(CIGSe), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), and CdTe are formed including one or more selected from the group consisting of. Preferably, CuInS 2 (CIS), Cu(In,Ga)S, which has a high light absorption coefficient of 105 cm -1 and a band gap of 1.5 eV and can efficiently form electron-hole pairs by covering the visible light range. (CIGS) or Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS).

광흡수층이 페로브스카이트형 태양 전지인 경우 투명 전극 상에 형성되어 반사방지 및 윈도우 역할을 하는 메조포러스 입자를 포함하는 나노입자층 및 나노입자층의 입자를 피복하며 광흡수 역할을 하는 페로브스카이트층을 포함한다. 페로브스카이트형 태양 전지인 경우에 상기 페로브스카이트층 상에 홀 수송층을 더 포함한다.When the light absorption layer is a perovskite solar cell, it is formed on the transparent electrode and covers the nanoparticles of the nanoparticle layer and the nanoparticle layer containing mesoporous particles that function as anti-reflection and windows, and a perovskite layer that absorbs light. include In the case of a perovskite-type solar cell, a hole transport layer is further included on the perovskite layer.

상기 나노입자층은 티타늄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Y), 나이오븀(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V) 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물로 형성된 10 내지 50nm 입경을 갖는 나노입자를 포함하여 다공성 구조를 갖는다.The nanoparticle layer is titanium (Ti), tin (Sn), zinc (Zn), tungsten (W), zirconium (Zr), gallium (Ga), indium (In), yttrium (Y), niobium (Nb), It has a porous structure including nanoparticles having a particle diameter of 10 to 50 nm formed of an oxide of a metal selected from the group consisting of tantalum (Ta), vanadium (V), and combinations thereof.

상기 페로브스카이트층은 메틸암모늄 리드 할라이드 (methylammonium lead halide) (MAPbX3, X=Cl,Br,I) 또는 포름아미디늄계 리드 할라이드 (formamidinium-based lead halide) (FAPbX3, X=Cl,Br,I) 등의 페로브스카이트 계열 물질로 형성될 수 있다.The perovskite layer is methylammonium lead halide (MAPbX 3 , X=Cl,Br,I) or formamidinium-based lead halide (FAPbX 3 , X=Cl,Br) , I) may be formed of a perovskite-based material such as.

상기 배면 전극은 금(Au), 은 (Ag), 니켈 (Ni) 또는 몰리브덴(Mo)을 포함하여 형성된다.The rear electrode is formed of gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), or molybdenum (Mo).

구체적인 일 실시양태에서 상기 전지부는 CIS계 태양전지가 2 이상 직렬로 연결된 것이고, 상기 CIS계 태양전지의 CIS 층은 전지부의 상단에 위치하여 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때 물 위에 드러나는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 CIS계 태양전지의 CIS 층은 전지부의 최상단에 위치하는 것일 수 있다.In a specific embodiment, the cell unit is a series of two or more CIS-based solar cells, and the CIS layer of the CIS-based solar cell is located at the top of the cell unit and is exposed on the water when the artificial leaf device is floated on the water. may be done with Preferably, the CIS layer of the CIS-based solar cell may be located at the top of the cell unit.

하나의 투광성 기판 상에 적어도 2개 이상의 태양 전지 셀이 직렬로 연결된 전지부는 태양 전지 셀의 투명 전극 상의 일부가 노출되도록 광추출층을 형성하고, 광추출층 상에 형성된 배면 전극은 인접한 다른 태양 전지 셀의 투명 전극의 노출된 부분에 연결되도록 형성되는 것이 좋다.The battery unit in which at least two or more solar cells are connected in series on one light-transmitting substrate forms a light extraction layer so that a part of the transparent electrode of the solar cell is exposed, and the rear electrode formed on the light extraction layer is adjacent to another solar cell It is preferably formed so as to be connected to the exposed portion of the transparent electrode of the cell.

상기 구조의 전지부를 사용하는 경우 상기 투광성 기판의 한 쪽 끝단에는 투명 전극이 노출되고, 다른 한 쪽 끝단에는 배면 전극이 노출되기 때문에 투명 전극 및 배면 전극이 도전부재를 통해 전극부와 용이하게 전기적으로 연결될 수 있다.In the case of using the battery part having the above structure, since the transparent electrode is exposed at one end of the light-transmitting substrate and the back electrode is exposed at the other end, the transparent electrode and the back electrode are easily electrically connected to the electrode part through the conductive member. can be connected

또한 상기 구조의 전지부를 사용하는 경우, 광흡수층의 광 활성 표면(active area)에 추가적인 방수처리가 필요없고 투광성 기판 자체가 방수의 역할을 한다는 장점이 있다.In addition, when the battery unit having the above structure is used, there is an advantage that an additional waterproof treatment is not required on the light active area of the light absorption layer, and the light-transmitting substrate itself plays a waterproof role.

도 10에 본 발명의 일 실시예에 따른 전지부의 구성(a), 직렬 연결된 셀의 에너지 밴드(b), 광흡수층에서의 캐리어 생성 및 분리, 전자 및 정공의 전달경로(c)를 나타내는 모식도를 나타내었다.10 is a schematic diagram showing the configuration (a) of the battery unit according to an embodiment of the present invention, the energy band of the cells connected in series (b), the generation and separation of carriers in the light absorption layer, and the transmission path (c) of electrons and holes was shown.

또한 상기 전극부는 페로브스카이트형 태양 전지를 직렬 연결하여 사용함으로써 광전환 효율을 상승시킬 수있다. 도 11에 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트형 태양 전지 구조의 개략도를 나타내었다.In addition, the electrode part can increase the light conversion efficiency by connecting the perovskite type solar cells in series. 11 shows a schematic diagram of a structure of a perovskite-type solar cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 인공잎 장치는 상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 물을 분해하는 수소 발생 전극부와 산소 기체를 생성하는 전극부를 포함한다. The artificial leaf device according to the present invention includes a hydrogen generating electrode unit for decomposing water through electrolysis by receiving a potential from the battery unit and an electrode unit for generating oxygen gas.

상기 전극부는 상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 화학물질을 생성하는 수단으로서, 상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전극부는 전지부의 하단에 연결되어 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때 수중에 존재하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 상기 삼각형 구조로 인해 제조공정이 간단하고 컴팩트한 크기로 인공잎 장치를 형성할 수 있는 장점이있다.The electrode part is a means for generating a chemical through electrolysis by receiving a potential from the battery part, and at the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other. , characterized in that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure. In addition, the electrode part may be connected to the lower end of the battery unit, and may be characterized in that it exists in water when the artificial leaf device is floated on the water. Due to the triangular structure, there is an advantage in that the manufacturing process is simple and the artificial leaf device can be formed in a compact size.

상기 2개의 전극부는 상기 전지부의 하단에 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되며, 상기 2개의 전극부 중 하나는 수소 발생 전극이고, 다른 하나는 산소 발생 전극이다. 상기 수소발생 전극은 수소 발생 촉매층을 포함하는 음극일 수 있으며, 상기 산소발생 전극은 산소 발생 촉매층을 포함하는 양극일 수 있다.The two electrode parts are connected to both ends of the battery part at the lower end of the battery part, the two electrode parts are connected to each other, one of the two electrode parts is a hydrogen generating electrode, and the other is an oxygen generating electrode. The hydrogen generating electrode may be a cathode including a hydrogen generating catalyst layer, and the oxygen generating electrode may be an anode including an oxygen generating catalyst layer.

상기 기판은 유리, 플라스틱, PET나 PI 등의 폴리머 계열 필름 등의 부전도체 물질을 포함하여 형성된 기판을 사용할 수 있다.As the substrate, a substrate formed of a non-conductive material such as glass, plastic, or a polymer-based film such as PET or PI may be used.

상기 음극은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등을 포함하여 형성된 50 내지 150nm 두께의 음극층 및 수소 발생을 촉매하는 물질을 포함하여 형성된 1 내지 5nm 두께의 수소 발생 촉매층을 포함한다. 또한 상기 음극은 기판 상에 음극층의 접착도를 높이기 위하여 티타늄(Ti) 등을 포함하여 형성된 5 내지 20nm 두께의 접착층을 더 포함한다.The anode is a cathode layer of 50 to 150 nm thick formed including nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), etc. and a material catalyzing hydrogen generation 1 to 5 nm thick. and a hydrogen evolution catalyst layer. In addition, the cathode further includes an adhesive layer with a thickness of 5 to 20 nm formed including titanium (Ti) and the like in order to increase the adhesion of the cathode layer on the substrate.

상기 수소 발생 촉매층은 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등의 귀금속, CoS, MoS, CoP 등의 화합물 또는 NiMo, Co-Mo 등 Ni, Mo, Co, Cu 및 Fe로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상의 합금 등을 이용하여 2 내지 3nm 의 매우 얇은 두께의 박막으로 형성된다.The hydrogen generation catalyst layer is a noble metal such as platinum (Pt), gold (Au), rhodium (Rh), iridium (Ir), a compound such as CoS, MoS, CoP, or Ni, Mo, Co, Cu, such as NiMo, Co-Mo And using any one or more alloys selected from the group consisting of Fe is formed into a very thin thin film of 2 to 3 nm.

상기 양극은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등을 포함하여 형성된 50 내지 150nm 두께의 양극층 및 산소 발생을 촉매하는 물질을 포함하여 형성된 30 내지 40nm 두께의 산소 발생 촉매층을 포함한다. 또한 상기 양극은 기판 상에 양극층의 접착도를 높이기 위하여 티타늄(Ti) 등을 포함하여 형성된 5 내지 20nm 두께의 접착층을 더 포함한다. 또한 상기 양극은 산소 발생에 도움이 되는 조촉매층을 더 포함하며, 상기 조촉매층은 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등의 귀금속, CoS, MoS, CoP 등의 화합물 또는 NiMo, Co-Mo 등 Ni, Mo, Co, Cu 및 Fe로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상의 합금 등을 이용하여 2 내지 3nm 의 매우 얇은 두께의 박막으로 형성될 수 있다.The anode has a thickness of 30 to 40 nm formed including a material that catalyzes oxygen generation and an anode layer of 50 to 150 nm thick formed including nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), etc. and an oxygen evolution catalyst layer. In addition, the anode further includes an adhesive layer with a thickness of 5 to 20 nm formed including titanium (Ti) and the like in order to increase the adhesion of the anode layer on the substrate. In addition, the anode further includes a promoter layer to help oxygen generation, the promoter layer is a noble metal such as platinum (Pt), gold (Au), rhodium (Rh), iridium (Ir), CoS, MoS, CoP, etc. It can be formed into a very thin thin film of 2 to 3 nm using a compound of NiMo, Co-Mo, etc., any one or more alloys selected from the group consisting of Ni, Mo, Co, Cu and Fe.

상기 산소 발생 촉매층은 RuO, IrO 등의 귀금속 산화물, NiO, Co3O4, MnO2 등의 산화물 또는 (Ni,Fe)O 등의 도핑된 산화물을 이용하여 30 내지 40nm의 두께로 형성된다.The oxygen generation catalyst layer is formed to a thickness of 30 to 40 nm using a noble metal oxide such as RuO and IrO, an oxide such as NiO, Co 3 O 4 , MnO 2 , or a doped oxide such as (Ni,Fe)O.

본 발명에 따른 구체적인 인공잎 장치의 모식도를 도 9에 나타내었다,A schematic diagram of a specific artificial leaf device according to the present invention is shown in FIG.

상기 인공잎 장치의 전지부와 전극부가 형성하는 각도는 30도이며, 상기 삼각형을 이루는 전극부의 변의 방향으로의 길이는 2.6 cm인 것이 바람직하다. 구체적인 일 실시양태에서, 전지부와 산소 발생 전극이 형성하는 각도와 전지부와 수소 발생 전극이 형성하는 각도는 동일하며, 산소 발생 전극과 수소 발생 전극의 변의 방향으로의 길이는 동일하여 이등변 전지부와 함께 이등변삼각형을 구성할 수 있다.It is preferable that the angle formed by the battery part and the electrode part of the artificial leaf device is 30 degrees, and the length in the direction of the side of the electrode part forming the triangle is 2.6 cm. In one specific embodiment, the angle formed by the battery unit and the oxygen generating electrode and the angle formed by the battery unit and the hydrogen generating electrode are the same, and the length in the direction of the side of the oxygen generating electrode and the hydrogen generating electrode is the same, so that the isosceles battery unit can form an isosceles triangle.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 양태는 상기 인공잎 장치를 이용한 수소, 산소 또는 이들 모두의 포집 방법이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object is a method for capturing hydrogen, oxygen, or both using the artificial leaf device.

구체적으로, 본 발명에 따른 인공잎 장치를 이용한 기체 포집 방법은 인공잎 장치를 이용한 산소 기체 포집 방법이거나, 인공잎 장치를 이용한 수소 기체 포집 방법이거나 인공잎 장치를 이용한 산소 및 수소 기체 포집 방법일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 인공잎 장치를 이용한 수소, 산소 또는 이들 모두의 포집 방법은 (a) 인공잎 장치를 물 위에 위치시키는 단계; Specifically, the gas collection method using an artificial leaf device according to the present invention may be an oxygen gas collection method using an artificial leaf device, a hydrogen gas collection method using an artificial leaf device, or a method for capturing oxygen and hydrogen gas using an artificial leaf device have. Specifically, the method for capturing hydrogen, oxygen or both of them using an artificial leaf device according to the present invention comprises the steps of: (a) placing the artificial leaf device on water;

(b) 인공잎 장치에 빛 에너지를 조사하여 물 전기 분해를 수행하는 단계; 및 (b) performing water electrolysis by irradiating light energy to the artificial leaf device; and

(c) 상기 물 전기 분해로부터 생성된 수소, 산소 또는 이들 모두를 포집하는 단계를 포함한다. (c) capturing hydrogen, oxygen, or both produced from the water electrolysis.

상기 (a) 단계는 인공잎 장치를 물위에 위치시키면 인공잎 장치를 이루는 기판의 가벼운 밀도로 인해 전지부는 물 위에 뜨게되고, 2개의 전극부는 수중에 위치하여 전기분해를 수행하게 된다.In step (a), when the artificial leaf device is placed on water, the battery part floats on the water due to the light density of the substrate constituting the artificial leaf device, and the two electrode parts are placed in water to perform electrolysis.

상기 (b) 단계는 인공잎 장치에 빛 에너지를 조사하여 전지부에 위치한 전지가 빛 에너지를 흡수하여 전위를 전극부에 제공하게 된다. 전위를 제공받은 전극부는 수중에 위치하여 수중에서 물 전기 분해를 수행할 수 있다. 상기 빛 에너지는 바람직하게는 태양광 에너지일 수 있다.In step (b), the artificial leaf device is irradiated with light energy so that the battery located in the battery unit absorbs the light energy and provides an electric potential to the electrode unit. The electrode unit receiving the electric potential may be positioned in water to perform water electrolysis in water. The light energy may preferably be solar energy.

상기 (c) 단계는 상기 물 전기분해로부터 생성된 수소, 산소 또는 이들 모두를 포집하는 단계를 포함한다. 상기 전극부 중 수소 발생 전극에서는 크로스오버 없이 수소만을 포집할 수 있고, 산소 발생 전극에서는 크로스오버 없이 산소만을 포집할 수 있다. 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면 (slippery liquid infused porous surface, SLIPS)로 개질된 전극부의 표면을 따라 이동한 수소 또는 산소 가스 버블을 전극부의 상단에서 누출없이 수집할 수 있다.The step (c) includes capturing hydrogen, oxygen, or both produced from the water electrolysis. Of the electrode parts, the hydrogen generating electrode may collect only hydrogen without crossover, and the oxygen generating electrode may collect only oxygen without crossover. Hydrogen or oxygen gas bubbles moving along the surface of the electrode part modified with a slippery liquid infused porous surface (SLIPS) can be collected at the top of the electrode part without leakage.

상기 수소 발생 전극과 산소 발생 전극의 표면은 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면 (slippery liquid infused porous surface, SLIPS)로 개질되어 있으며, 상기 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면은 적절한 호기성으로 인해, 전기분해로 발생한 수소 및 산소가 이탈하지 않고 SLIPS 상의 가스 벽을 따라 이동하여 포집될 수 있다. 특히, 수소는 수소 발생 전극 상으로, 산소는 산소 발생 전극 상으로 크로스오버 없이 이동하여 순도높은 수소 및 산소 기체를 포집할 수 있다.The surfaces of the hydrogen-generating electrode and the oxygen-generating electrode are modified with a slippery liquid infused porous surface (SLIPS), and the liquid-injected slippery porous surface has adequate aerobicity, Oxygen can travel along the gas wall on the SLIPS and be captured without escaping. In particular, hydrogen and oxygen can be collected on the hydrogen generating electrode without crossover, and high purity hydrogen and oxygen gas can be collected.

SLIPS는 다양한 종류의 액체에 대한 비젖음 특성을 나타내는 표면구조 개발을 위해서 2011년 네펜시스 낭상엽식물(Nepenthes pitcher)을 생체 모방한 것으로 처음 소개되었다. SLIPS was first introduced as a biomimetic of Nepenthes pitcher in 2011 to develop a surface structure that exhibits non-wetting properties for various types of liquids.

본 발명에서 사용된 SLIPS는 표면에너지가 낮은 마이크로/나노 구조에 윤활유를 채워 넣어 제작한다. SLIPS의 윤활유가 외부 액체들과 접촉하게 되면 미끄러운 경계면을 형성하게 되며, 이렇게 형성된 경계면에 의하여 다양한 액체(물, 탄화수소, 원유 및 혈액 등)를 밀어 내고, 낮은 접촉각 이력 현상(hysteresis)을 유지하면서 외부 충격에 의하여 생긴 손상을 빠르게 복구한다. 특히, 본 발명에서는 SLIPS 표면을 합성하기에 앞서 윤활유를 안정적으로 잡아줄 수 있는 마이크로/나노 구조를 스프레이 코팅으로 합성하였다. SiO2 나노입자를 표면처리하여 소수성을 가지게 한 뒤 이를 스프레이 코팅하여 마이크로 구조 및 나노 구조를 가지는 표면을 제작하였다. 끝으로, 윤활유로서 불화 오일을 침투시켜 SLIPS 표면을 제작하였다. The SLIPS used in the present invention is manufactured by filling a lubricating oil into a micro/nano structure with low surface energy. When the lubricating oil of SLIPS comes into contact with external liquids, a slippery interface is formed, and various liquids (water, hydrocarbon, crude oil, blood, etc.) Quickly repairs damage caused by impact. In particular, in the present invention, a micro/nano structure that can stably hold lubricating oil before synthesizing the SLIPS surface was synthesized by spray coating. After surface treatment of SiO 2 nanoparticles to make them hydrophobic, they were spray coated to prepare a surface having a microstructure and a nanostructure. Finally, the SLIPS surface was fabricated by penetrating fluorinated oil as a lubricant.

상기 SLIPS는 기포의 접착력이 초발수 표면과 초친수 표면 사이 중간값을 가져 생성 기포 제어에 이용되기에 이상적이다. 따라서 각 기체가 발생되는 전극 표면을 수직방향으로 기울이게 되면 부력에 의해 발생된 기체가 위쪽으로 이동하며, 이때 전극 양 끝에 패턴 증착된 SLIPS 표면에 의해 기포가 부착되어 전극 끝까지 떨어지지 않고 이동하게 된다. 이와 같은 과정을 통해서 HER/OER 각 전극에서 수소기체와 산소기체를 분리하여 성공적으로 포집할 수 있다.The SLIPS has an intermediate value between the super-hydrophobic surface and the super-hydrophilic surface, so the adhesion of the bubble is ideal for use in controlling the generated bubble. Therefore, when the electrode surface where each gas is generated is tilted in the vertical direction, the gas generated by the buoyancy force moves upward. Through this process, hydrogen gas and oxygen gas can be separated and successfully collected at each HER/OER electrode.

또한, 본 발명에서는Also, in the present invention

액체 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,As an artificial leaf device that can be operated by floating on a liquid,

빛 에너지를 이용하여 액체의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of a liquid by using light energy; and

상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 액체를 분해하는 산화 전극부 및 환원 전극부; 를 포함하고,an oxidation electrode unit and a reduction electrode unit receiving a potential from the battery unit and decomposing the liquid through electrolysis; including,

상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고,At the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,

상기 2개의 전극부 중 하나는 음극이고, 다른 하나는 양극이고,One of the two electrode parts is a cathode, the other is an anode,

상기 전극부는 액체의 전기분해로부터 생성된 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며, The electrode part has a slippery liquid infused porous surface so as to collect the gas generated from the electrolysis of the liquid,

상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,

상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 액체와 접촉되는 것을 특징으로 하는,A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the liquid,

인공잎 장치.artificial leaf device.

상기 액체의 비제한적 일 예시는 전해질, 증류수, 수돗물 및 해수로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. A non-limiting example of the liquid may be any one or more selected from the group consisting of electrolyte, distilled water, tap water, and seawater.

상기 전기분해에 의해 일어나는 반응의 비제한적 일 예시는 물의 전기분해 반응일 수 있다.A non-limiting example of the reaction caused by the electrolysis may be an electrolysis reaction of water.

예를 들어, 일 실시예에서 상기 전기분해에 의해 일어나는 반응이 물의 전기분해 반응인 경우 상기 산화 전극부에서 생성되는 기체는 산소이고, 상기 환원 전극부에서 생성되는 기체는 수소이다.For example, in an embodiment, when the reaction occurring by the electrolysis is an electrolysis reaction of water, the gas generated in the oxidation electrode part is oxygen, and the gas generated in the reduction electrode part is hydrogen.

상기와 같이 본원 발명의 인공잎 장치는 다양한 반응의 전기분해 반응에 사용될 수 있으며, 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비함에 따라 크로스오버 없이 산화 전극부 및 환원 전극부 상단에서 각각 상이한 기체를 포집할 수 있다.As described above, the artificial leaf device of the present invention can be used for electrolysis reactions of various reactions, and as a slippery liquid infused porous surface is provided to face the outside of the triangular structure, the oxidation electrode without crossover Different gases may be collected at the upper end of the negative electrode and the reduction electrode.

본 발명의 인공잎 장치는 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때, 전지부가 물 위에 드러나 있고, 전극부가 수중에 존재하여 인공잎 장치에 사용될 빛이 물에 흡수되어 손실되는 과정을 줄이는 동시에 수중에 존재하는 전극부에 의해 전기분해가 진행될 수 있다.In the artificial leaf device of the present invention, when the artificial leaf device is floated on water, the battery part is exposed on the water, and the electrode part is present in the water, so that the light to be used for the artificial leaf device is absorbed by water and is lost in water while reducing the process Electrolysis may proceed by the electrode part.

또한, 상기 전극부는 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면 (slippery liquid infused porous surface, SLIPS)로 개질되어 있으며, 상기 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면은 적절한 호기성으로 인해, 전기분해로 발생한 수소 및 산소가 이탈하지 않고 SLIPS 상의 가스 벽을 따라 이동하여 포집될 수 있다.In addition, the electrode part is modified with a liquid-infused slippery porous surface (SLIPS), and the liquid-injected slippery porous surface has adequate aerobicity, so hydrogen and oxygen generated by electrolysis do not escape without SLIPS It can travel along the gas wall of the bed and be trapped.

도 1은 본원 발명의 인공잎 장치에 대한 개요를 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 인공잎 장치의 생체모방 표면 상에서의 물 접촉각 및 버블 접촉각을 측정한 결과를 나타내고, 표면 상에서 버블이 조작되는 방식을 나타낸 것이다.
도 3은 SLIPS 가스 벽이 있는 경사 전극에서 가스 버블 포집, 수송 및 수집 원리와 관련된 것으로, (a) 전극의 측면 모서리에있는 SLIPS 가스 벽 및 이를 운반하는 가스 버블에 작용하는 힘의 개략도 (α ° 경사일 때) (b) 수 분리시 전극이 30도 기울어지고 및 수평으로 30도 경사진 경우 SLIPS 가스 벽의 가스 버블 포집, 운반 및 수집 기능에 대한 개략도 (c) H2/O2 생성, 분리 및 수집을 위해 ISE를 사용하는 전체 물 전기 분해 시스템의 개략도 (d) 다양한 구성의 전극에 대한 H2 가스 포집 효율 결과 (e) 각 HER/OER 수집 포트에서 H2/O2 가스의 순도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 모놀리식 PV 전기분해 인공잎 장치의 응용과 관련된 이미지로, (a) 높은 광전압 생성을 위해 직렬로 나노 구조화 된 CIS 전지 (b) 개략도 (c) 생체 모방 개질 HER/OER 전극이 장착된 단일 PV 전기 분해의 실제 구동 이미지 (d) PV 전기 분해의 예상된 성능, 1.0 M KOH 미만으로 설정된 직렬 및 2전극 PV 전지의 교차 J-V 측정 곡선 및 유선 PV-전기 분해의 실제 값 (e) 수집된 H2/O2 가스로 측정된 모놀리식 PV 전기 분해의 실제 성능을 나타낸 것이다.
도 5는 Ni-Pt 전극에서 WCA, BCA 및 가스 버블 이동을 나타낸 것으로 (a) WCA (4.3 ± 1.7 °) (b) 수중 BCA (168.8 ± 7.1 °) (c) (i) HER 전극 표면에서 가스 버블 생성 및 10 mA의 인가 전류로 0.1 M KOH에서 40 ° 경사졌을 때 Ni-Pt 전극의 측면(ii) 및 상부 가장자리(iii)에서 가스 버블이 분리되는 것을 나타낸 것이다.
도 6은 (a) 스퍼터링 된 Ni-Pt 전극 (~ 100 μN) (b) SHS (측정 불가능, 매우 높음) 및 (c) SLIPS (~ 300 μN)의 수중 기포 접착력 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 Ni-Pt 전극에서 상부 및 측면에 H2 가스가 누출되는 것을 나타낸 것이다.
도 8은 단일 전지 및 상호연결 전지의 전기적 성능을 그래프로 나타낸 것이다.\ 도 9는 본 발명의 인공잎 장치의 전지부(10)와 전극부(20)가 이루는 이등변 삼각형 구조를 모식도로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수퍼스트레이트형 태양전지 구조의 개략도를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지부의 구성(a), 직렬 연결된 셀의 에너지 밴드(b), 광흡수층에서의 캐리어 생성 및 분리, 전자 및 정공의 전달경로(c)를 나타내는 모식도를 나타낸 것이다
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트형 태양전지 구조의 개략도를 나타낸 것이다.
1 shows an overview of the artificial leaf device of the present invention.
2 shows the results of measuring the water contact angle and bubble contact angle on the biomimetic surface of the artificial leaf device of the present invention, and shows the manner in which bubbles are manipulated on the surface.
Fig. 3 relates to the gas bubble trapping, transport and collection principle in an inclined electrode with a SLIPS gas wall, (a) a schematic diagram of the force acting on the SLIPS gas wall at the side edge of the electrode and the gas bubbles carrying it (α° (b) Schematic diagram of the gas bubble trapping, transporting and collecting functions of the SLIPS gas wall when the electrode is tilted 30 degrees during water separation and 30 degrees horizontally (c) H 2 /O 2 generation, separation and (d) H 2 gas capture efficiency results for electrodes of various configurations (e) showing the purity of H 2 /O 2 gas at each HER/OER collection port. will be.
4 is an image related to the application of the monolithic PV electrolysis artificial leaf device of the present invention, (a) nanostructured CIS cells in series for high photovoltage generation (b) schematic diagram (c) biomimetic modified HER/ Actual driving images of single PV electrolysis equipped with OER electrodes (d) Expected performance of PV electrolysis, cross JV measurement curves of series and two-electrode PV cells set to less than 1.0 M KOH, and actual values of wired PV-electrolysis (e) Practical performance of monolithic PV electrolysis measured with collected H 2 /O 2 gas.
Figure 5 shows WCA, BCA and gas bubble movement in Ni-Pt electrodes (a) WCA (4.3 ± 1.7 °) (b) underwater BCA (168.8 ± 7.1 °) (c) (i) gas at the HER electrode surface. It shows bubble generation and separation of gas bubbles from the side (ii) and upper edge (iii) of the Ni-Pt electrode when inclined at 40° in 0.1 M KOH with an applied current of 10 mA.
Figure 6 shows the measurement results of bubble adhesion in water of (a) sputtered Ni-Pt electrodes (~100 μN), (b) SHS (not measurable, very high) and (c) SLIPS (~300 μN).
Figure 7 shows the leakage of H 2 gas from the top and side of the Ni-Pt electrode.
8 is a graph showing the electrical performance of a single cell and an interconnected battery.\ FIG. 9 is a schematic diagram showing an isosceles triangular structure formed by the battery unit 10 and the electrode unit 20 of the artificial leaf device of the present invention. .
10 is a schematic diagram of a structure of a super-straight solar cell according to an embodiment of the present invention.
11 is a schematic diagram showing the configuration of the battery unit (a), the energy band of the cells connected in series (b), the generation and separation of carriers in the light absorption layer, and the transmission path of electrons and holes (c) according to an embodiment of the present invention; will indicate
12 is a schematic diagram of a structure of a perovskite-type solar cell according to an embodiment of the present invention.

실시예 및 실험예Examples and Experimental Examples

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 적용되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and experimental examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only applied to understand the present invention more easily, and the content of the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 전극부 기판의 제조Example 1. Preparation of electrode part substrate

기본 전극은 종래 알려진것과 마찬가지로 유리 기판 상에 준비되었다. 우선, 기판은 생체 모방 SLIPS 벽이 증착될 유리의 측면에서 폴리이미드 테이프에 의해 마스크 패턴화하였다. 그 후, 물 전기 분해 시스템에서 HER 전극으로 사용하기 위해 패턴화된 기판 상에 Ti (5 nm), Ni (50 nm) 및 박막 Pt (~ 3 nm)의 연속 스퍼터링에 의해 전도성 전극을 제조하였다. OER 전극을 제조하기 위해, OER 전구체 용액, 45mM 질산 니켈 6수화물 (Ni(NO3)2·6(H2O), Sigma-Aldrich, 99.999%), 5mM 질산 철 9수화물 (Fe(NO3)2·9(H2O), Sigma-Aldrich, 99.999%) 및 Triton X-100 (1500 gmol-1의 금속 이온, Sigma-Aldrich)를 에탄올(Fisher ChemAlert Guide) 내에 용해시키고 5000 rpm에서 30 초 동안 전도성 전극에 스핀 코팅하였다. 그 후, 이를 300 ℃ 핫 플레이트에서 5 분간 어닐링하였다. 이 용액 코팅 및 어닐링을 3 회 반복하여 전극 상에 최적화된 OER 촉매 층을 제조하였다.A base electrode was prepared on a glass substrate as is conventionally known. First, the substrate was mask patterned by polyimide tape on the side of the glass on which the biomimetic SLIPS wall was to be deposited. Then, conductive electrodes were prepared by continuous sputtering of Ti (5 nm), Ni (50 nm) and thin film Pt (~ 3 nm) on a patterned substrate for use as a HER electrode in a water electrolysis system. To prepare the OER electrode, OER precursor solution, 45 mM nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO 3 ) 2 .6(H 2 O), Sigma-Aldrich, 99.999%), 5 mM iron nitrate hexahydrate (Fe(NO 3 ) 2 9(H 2 O), Sigma-Aldrich, 99.999%) and Triton X-100 (1500 gmol-1 of metal ions, Sigma-Aldrich) were dissolved in ethanol (Fisher ChemAlert Guide) and at 5000 rpm for 30 seconds A conductive electrode was spin coated. Thereafter, it was annealed on a 300° C. hot plate for 5 minutes. This solution coating and annealing were repeated three times to prepare an optimized OER catalyst layer on the electrode.

실시예 2. SHS 및 SLIPS의 제조 Example 2. Preparation of SHS and SLIPS

SiO2 (10-20nm) 나노 입자 (2g, Sigma-Aldrich)를 탈수된 톨루엔 (40mL, Samchun, ≥99.5 %)에 1mL의 트리클로로(옥타데실)실란(Sigma-Aldrich, ≥90 %)을 첨가하여 분산시킨 후, 이어서 실온에서 3 시간 동안 교반하였다. 그 후, 톨루엔을 368K에서 5 시간 동안 증발시켜 소수성 SiO2 나노 입자를 수득한 후, 이를 100mL 에탄올 (Fisher ChemAlert Guide)에 초음파 처리하여 현탁액을 형성하였다. 전극 상에 생체모방 초소수성 표면 (superhydrophobic surface, SHS) 또는 SLIPS의 패턴을 형성하기 위해, 영역의 일부를 마스킹하고, 3 mL의 현탁된 SiO2 용액을 전극 기판 상에 분무 코팅하였다. 스프레이 코팅을 위해, N2 가스 압력은 ~ 20 psi로 유지되었고, 스프레이 건과 기판 사이의 거리는 ~ 10 cm로 고정되었다. 코팅된 표면을 실온에서 ~ 5 분 동안 건조시켜 기판 상에 안정한 SHS를 제조하였다. 한편, SLIPS는 SHS를 불화 오일 (DuPont Krytox 103)로 인필트레이션 후 증류수로 헹구어 제조하였다.SiO 2 (10-20 nm) nanoparticles (2 g, Sigma-Aldrich) were added to dehydrated toluene (40 mL, Samchun, ≥ 99.5 %) with 1 mL of trichloro (octadecyl) silane (Sigma-Aldrich, ≥ 90 %) After dispersion, the mixture was stirred at room temperature for 3 hours. Then, toluene was evaporated at 368K for 5 hours to obtain hydrophobic SiO 2 nanoparticles, which were then sonicated in 100 mL ethanol (Fisher ChemAlert Guide) to form a suspension. To form a pattern of a biomimetic superhydrophobic surface (SHS) or SLIPS on the electrode, a part of the area was masked, and 3 mL of the suspended SiO 2 solution was spray coated onto the electrode substrate. For spray coating, the N 2 gas pressure was maintained at ~20 psi, and the distance between the spray gun and the substrate was fixed at ~10 cm. The coated surface was dried at room temperature for ~5 min to prepare a stable SHS on the substrate. Meanwhile, SLIPS was prepared by infiltrating SHS with fluorinated oil (DuPont Krytox 103) and rinsing with distilled water.

실시예 3. 직렬 CIS PV 전지 제조 Example 3. Serial CIS PV Cell Fabrication

종래 알려진 Yong의 방법을 사용하여 패턴화된 ITO 유리 상에 직렬로 CIS PV 전지를 제조하기 위해, 폴리이미드 테이프를 ITO 유리 상에 패턴-적용하여 윈도우/버퍼/흡착층의 선택적 층 증착을 수행하였다 먼저, 패턴화된 유리 상에 50 nm의 ZnO 시드 층을 스퍼터 증착하였다. 그 후, 10mM 질산 아연 6 수화물 수용액 (Zn(NO3)2·6H2O, Sigma-Aldrich, 99.98%) 및 암모늄 하이드록사이드 (2 mL, Sigma-Aldrich, 28-30 wt%, 수중 NH3)의 100mL의 수용액 내에 기판을 넣어, 수열법으로 ZnO NRs 윈도우 층을 성장시켰다. CdS 버퍼 층을 나노 결정 층 증착 방법을 사용하여 ZnO NR 층 상에 연속적으로 증착시켰다. ZnO NRs 기판을 10Mm 티오아세트아마이드 (C2H5NS, Sigma-Aldrich 98.0 %) 및 10mM 카드뮴클로라이드 (CdCl2, Sigma-Aldrich 99.0 %)의 수성 혼합 용액에 1 시간 동안 두었다. 그 후, CIS 흡수층을 전구체 잉크 용액 코팅으로부터 증착시키고 어닐링 하였다. 제조된 잉크, 인듐(Ⅲ) 아세테이트 (0.2428g, In(OAc)3, Sigma-Aldrich 99.99 %), 요오드화 구리 (0.1429g, CuI, Sigma-Aldrich 99.999 %) 및 티오유레아 (0.1570g)를 메탄올 (5mL, CH4O, Sigma-Aldrich, 99.8 %) 내에 용해시킨 전구체 용액 , CH4N2S, Sigma-Aldrich, 99 %), 부틸 아민 (2mL, C4H9NH2, Sigma-Aldrich, 99.5 %) 및 프로피온산 (1ml, C2H5COOH, Sigma-Aldrich, 99.5 %)을 ZnO/CdS 나노 구조 층 상에 뿌리고 1300rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅한 후 핫 플레이트 상에 10 분 동안 150 ℃ 및 300 ℃의 후속 어닐링 단계를 진행하였다. 이러한 CIS 공정을 3 회 반복하여 나노 구조화된 층에 인필트레이션 시켰다. CIS 흡수층의 증착 후, 패턴화된 폴리이미드 테이프를 제거하였다. 마스크를 사용하여 금 층을 스퍼터 증착하였고, 분리된 PV 전지 각각을 전기적으로 직렬 상호 연결하였다.To fabricate CIS PV cells in series on patterned ITO glass using previously known Yong's method, polyimide tape was pattern-applied onto ITO glass to perform selective layer deposition of window/buffer/adsorption layer. First, a 50 nm ZnO seed layer was sputter deposited on the patterned glass. Then, 10 mM aqueous zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O, Sigma-Aldrich, 99.98%) and ammonium hydroxide (2 mL, Sigma-Aldrich, 28-30 wt%, NH 3 in water) ), a ZnO NRs window layer was grown by hydrothermal method by placing the substrate in 100 mL of an aqueous solution. A CdS buffer layer was successively deposited on the ZnO NR layer using a nanocrystal layer deposition method. ZnO NRs substrates were placed in an aqueous mixed solution of 10Mm thioacetamide (C 2 H 5 NS, Sigma-Aldrich 98.0%) and 10 mM cadmium chloride (CdCl 2 , Sigma-Aldrich 99.0%) for 1 hour. Then, a CIS absorber layer was deposited from the precursor ink solution coating and annealed. The prepared ink, indium (III) acetate (0.2428 g, In(OAc) 3 , Sigma-Aldrich 99.99 %), copper iodide (0.1429 g, CuI, Sigma-Aldrich 99.999 %) and thiourea (0.1570 g) were mixed with methanol ( 5mL, CH4O, Sigma-Aldrich, in which the precursor solution dissolved in 99.8%), CH4N2S, Sigma- Aldrich, 99%), butyl amine (2mL, C 4 H 9 NH 2, Sigma-Aldrich, 99.5%) and propionic acid (1ml , C 2 H 5 COOH, Sigma-Aldrich, 99.5%) was sprinkled on the ZnO/CdS nanostructure layer and spin-coated at 1300 rpm for 30 s, followed by subsequent annealing steps at 150 °C and 300 °C for 10 min on a hot plate. proceeded. This CIS process was repeated three times to infiltrate the nanostructured layer. After deposition of the CIS absorber layer, the patterned polyimide tape was removed. A gold layer was sputter deposited using a mask, and each of the isolated PV cells was electrically interconnected in series.

실시예 4. 멤브레인 없는 단일체 인공잎의 조립 Example 4. Assembly of monolithic artificial leaves without membrane

직렬 CIS PV 전지는 직렬로 은 페이스트에 의해 경사진 구성으로 2 개의 HER/OER 전극의 대향 기판에 전기적으로 연결되고, 도 4b에 도시된 바와 같이 경질 폴리염화비닐 (PVC) 필름 및 에폭시로 캡슐화되었다.The series CIS PV cells were electrically connected to opposite substrates of two HER/OER electrodes in a beveled configuration by silver paste in series, and encapsulated with rigid polyvinyl chloride (PVC) film and epoxy as shown in Fig. 4b. .

PVC 기판 벽을 모듈이 부유성을 위해 낮은 밀도를 갖도록 하기 위해 사용하였다. 전체 모듈은 텅빈 역삼각 구조를 가지며, 여기서 PV 기판은 모듈의 상단을 향하는 CIS 층을 가지며 2 개의 ISE 기판은 바닥에서 기울어지고 연결되어 생체 모방 개질된 표면을 향한다. 그 후, 에폭시를 도포하여, 은 연결부와 틈새를 덮고 물이 닿지 않도록 하고 시스템 내부를 방수시킨다.A PVC substrate wall was used to give the module a low density for floatation. The whole module has a hollow inverted triangular structure, where the PV substrate has the CIS layer facing the top of the module and the two ISE substrates are tilted from the bottom and connected to face the biomimetic modified surface. Then, an epoxy is applied to cover the silver connections and crevices, to keep water out and to waterproof the inside of the system.

실험예 1. 제조된 인공잎 장치의 특성 분석 Experimental Example 1. Characterization of the manufactured artificial leaf device

각 샘플의 접촉각은 SmartDrop 기기 (Femtofab, Korea)를 사용하여 측정하였다. 측정 정확도를 개선하기 위해, 10 μL의 물방울이 사용되는 동안 각 샘플의 3 개 위치에서 접촉각을 측정하였다. 샘플을 유리 배스에서 탈이온수에 침지시키고 10 μL 버블을 표면에 놓고, 공기 접촉각을 SmartDrop으로 측정 하였다. 공기와 각 샘플 사이의 접착력은 버블 홀더, 분석 저울 (AS220.R2, Radwag), 전동 스테이지 (Z725B, TDC001, Thorlabs) 및 비디오 현미경 (AM4115TL, AnMo Electronics)으로 구성된 실험실 시스템으로 측정하였다. 버블 홀더를 분석 저울에 놓고 유리 욕조를 전동 스테이지에 놓았다. 샘플을 탈이온수로 채워진 유리 욕조에 침지시키고 홀더의 고리 부분을 욕에 침지시켰다. 버블 (10μL)을 링에 부착시켰다. 버블을 갖는 홀더의 질량의 변화는 버블과 기판 사이의 거리가 전동 스테이지를 사용하여 변화됨과 동시에 측정하였다. 실험실에서 구축한 Labview 프로그램을 사용하여 컨트롤과 측정을 수행했습다. 측정 동안 버블의 형상은 비디오 현미경을 사용하여 확인하였다. 버블 홀더의 질량의 변화로부터 접착력을 계산하였다. 물 전기분해를 전기 화학 분석기 (Compactstat, IVIUM 기술)에 의해 수행하여 전기 바이어스를 제어하고 결과 데이터를 기록하였다. 직렬 PV 전지의 성능 특성은 AM1의 태양열 시뮬레이터 (Sun 3000, ABET 기술), 5G 조명 (100 mW/cm2) 및 전기 화학 분석기를 사용하여 테스트하였다. PV-전기분해는 또한 전해질 용액 내에 직렬 PV 전지가 ISE-개질된 HER/OER 전극에 전기적으로 연결되어 조명 하에 전기적 성능을 측정하여 평가하였다. 각각의 수집 포트에서 수집된 가스를 가스 타이트 주사기 (100 μL, Hamilton)로 샘플링하고, 컬럼 (Mol Sieve 5A, SUPELCO)이 있는 가스 크로마토그래피 (GC 7890 B 시리즈, Agilent)로 분석하였다. 가스 데이터는 컴퓨터 분석하였다 (GC Openlab Chemstation Software).The contact angle of each sample was measured using a SmartDrop instrument (Femtofab, Korea). To improve the measurement accuracy, contact angles were measured at three locations in each sample while 10 μL of water droplets were used. Samples were immersed in deionized water in a glass bath, 10 μL bubbles were placed on the surface, and the air contact angle was measured with SmartDrop. The adhesion between air and each sample was measured with a laboratory system consisting of a bubble holder, an analytical balance (AS220.R2, Radwag), a motorized stage (Z725B, TDC001, Thorlabs) and a video microscope (AM4115TL, AnMo Electronics). The bubble holder was placed on the analytical balance and the glass bath was placed on the motorized stage. The sample was immersed in a glass bath filled with deionized water and the ring portion of the holder was immersed in the bath. A bubble (10 μL) was attached to the ring. The change in the mass of the holder with the bubble was measured at the same time as the distance between the bubble and the substrate was changed using a motorized stage. Controls and measurements were performed using the Labview program built in the laboratory. The shape of the bubble during the measurement was confirmed using a video microscope. The adhesive force was calculated from the change in the mass of the bubble holder. Water electrolysis was performed by an electrochemical analyzer (Compactstat, IVIUM technology) to control the electrical bias and the resulting data were recorded. The performance characteristics of the series PV cells were tested using AM1's solar simulator (Sun 3000, ABET technology), 5G illumination (100 mW/cm 2 ) and an electrochemical analyzer. PV-electrolysis was also evaluated by measuring electrical performance under illumination with a series PV cell electrically connected to an ISE-modified HER/OER electrode in an electrolyte solution. The gas collected at each collection port was sampled with a gas tight syringe (100 μL, Hamilton) and analyzed by gas chromatography (GC 7890 B series, Agilent) with a column (Mol Sieve 5A, SUPELCO). Gas data were computer analyzed (GC Openlab Chemstation Software).

실험예 2. SLIPS-개질된 전극에 대한 버블 거동 분석Experimental Example 2. Analysis of bubble behavior for SLIPS-modified electrodes

생체 모방적으로 개질된 전극 표면의 최적 설계를 식별하기 위해, 먼저 SHS- 또는 SLIPS-개질된 전극에 대한 버블 거동을 연구하였다. 연잎(Lotus leaf)을 생체 모방 한 SHS는 도 2a에 도시된 바와 같이 에탄올에 분산된 전처리한 소수성 SiO2 나노 입자의 용액을 분무 코팅함으로써 유리 표면 상에 제조되었다. SHS의 물 접촉각 (water contact angle, WCA)은 158.8 ± 1.2° (도 2b)이고 수중 버블 접촉각 (underwater bubble contact angle, BCA)은 약 0 ° (도 2c)이며 버블이 많아 높은 호기성을 나타낸다. 한편, 네펜시스(Nepenthes) 낭상엽 식물을 생체 모방한, 도 2d에 도시된 SLIPS는 불화 오일을 SHS에 주입하여 제조하였다. 낮은 표면 에너지 및 SHS의 나노/미세 구조로 인해, 불화 오일은 열역학적으로 안정적이고 고정된 윤활제 층을 형성하여 다양한 액체를 접근하지 못하게 하여 SHS에서 SLIPS 로의 습윤성 전이를 발생시킨다. SLIPS는 물 내에 107.5 ± 0.4 °의 WCA (도 2e) 및 75.1 ± 0.3 ° BCA (도 2f)를 보유하며, 이들은 각각 소수성과 호기성을 나타내었다. 참고로, 노출된 Ni-Pt 스퍼터된 HER 전극 표면의 습윤성도 테스트 하였으며, 실제로 H2 생성 가스가 발생하였다. 결과는 WCA와 수중 BCA 값이 각각 4.3 ± 1.7 ° 및 168.8 ± 7.1 °임을 나타내었다 (도 5a 및 5b).To identify the optimal design of the biomimetic modified electrode surface, we first studied the bubble behavior for SHS- or SLIPS-modified electrodes. SHS biomimicking lotus leaf was prepared on a glass surface by spray coating a solution of pretreated hydrophobic SiO 2 nanoparticles dispersed in ethanol as shown in FIG. 2a. The water contact angle (WCA) of SHS is 158.8 ± 1.2 ° (Fig. 2b), and the underwater bubble contact angle (BCA) is about 0 ° (Fig. 2c), and there are many bubbles, indicating high aerobicity. On the other hand, SLIPS shown in FIG. 2d, which biomimicked Nepenthes cystic plants, was prepared by injecting fluorinated oil into SHS. Due to the low surface energy and nano/microstructure of SHS, the fluorinated oil forms a thermodynamically stable and immobilized lubricant layer, inaccessible to various liquids, resulting in a wettability transition from SHS to SLIPS. SLIPS possessed a WCA of 107.5 ± 0.4° (Fig. 2e) and 75.1 ± 0.3° BCA (Fig. 2f) in water, which exhibited hydrophobicity and aerobicity, respectively. For reference, the wettability of the exposed Ni-Pt sputtered HER electrode surface was also tested, and H 2 generating gas was actually generated. The results showed that the WCA and water BCA values were 4.3 ± 1.7 ° and 168.8 ± 7.1 °, respectively (Figs. 5a and 5b).

가스 버블은 수중의 세 가지 표면에서 매우 상이하게 작동한다. 이는 표면에서 가스 버블의 다양한 접착력 때문이다. 가스 버블의 접착력은 HER 전극, SHS 및 SLIPS 표면 상에서 측정하였다 (도 6). SHS는 매우 높아서 측정 할 수 없는 접착력을 갖는 반면, SLIPS는 중간 정도의 버블 접착력을 가졌으며, 이는 노출된 HER 표면의 접착력보다 3 배 높았다. 다양한 습윤성을 갖는 전극 표면 상에서의 실제 수중 가스 버블 움직임을 모니터링하고 특성화하기 위해, 본 발명자들은 HER 전극 표면에 인접하게 생체 모방 SHS 또는 SLIPS를 준비하고, 이를도 2g 및 h에 도시된 바와 같이 경사지게 하였다. 가스 버블은 수중의 부력에 의해 강제되기 때문에, HER 전극 상에 생성된 가스 버블은 전극 경사를 따라 생체 모방 표면을 향해 이동하였다. 부력으로 인한 주요 추진력 (Fdriven)은 하기 방정식 (1)과 같다.Gas bubbles behave very differently on the three surfaces of water. This is due to the varying adhesion of gas bubbles on the surface. The adhesion of gas bubbles was measured on the HER electrode, SHS and SLIPS surfaces ( FIG. 6 ). SHS had very high and unmeasurable adhesion, whereas SLIPS had moderate bubble adhesion, which was three times higher than that of the exposed HER surface. To monitor and characterize the actual underwater gas bubble motion on the electrode surface with various wettability, we prepared biomimetic SHS or SLIPS adjacent to the HER electrode surface and inclined it as shown in Figures 2g and h. . Since the gas bubbles are forced by buoyancy in water, the gas bubbles generated on the HER electrode moved along the electrode slope towards the biomimetic surface. The main driving force (F driven ) due to buoyancy is the following equation (1).

Figure 112020000349237-pat00001
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여기서 ρ, V, g 및 α는 각각 물 밀도, 버블 부피, 중력 가속도 및 기판의 경사각을 나타낸다. 2 개의 샘플을 40 °로 경사지게 하고 각각에 10mA 전류를 인가하였다. 도 2g 및 h에 도시된 바와 같이, HER 표면 상에 연속적인 H2 가스 버블이 생성되었다. HER 전극으로부터 생성된 H2 가스 버블이 SHS를 향해 이동할 때, 이들은 Ni-Pt/SHS 계면에서 즉시 SHS 내로 이동한다. 버블의 빠른 수송은 SHS의 상부에서 축적을 형성하는데, 이는 초호기성(superaerophilicity) 및 수중 SHS의 높은 버블 접착력 때문이다. 그러나, SHS 상의 가스 버블의 지나치게 높은 접착력은 연속되는 가스 버블이 다음 수집 포트로 이동하는 것을 방해한다. 따라서, 가스 수집 시스템에 SHS를 적용하는 것은 매우 어렵다. 반면SLIPS (도 2h)는 SHS와는 현저히 다른 버블 거동 특성을 나타낸다. SLIPS가 Ni-Pt HER 표면보다 호기성이고 버블 접착력이 더 높기 때문에 HER 표면 상에 생성된 H2 가스 버블은 SLIPS와의 계면에서 쉽게 포집된다. 수 분리 반응이 진행됨에 따라 포집된 버블이 축적되어 확대된다. 그 후 Fdriven이 확대된 V로 운동저항을 극복할 때, 이들은 SLIPS를 따라 운반된다. SHS와 달리, SLIPS는 호기성 (superaerophilic)이 과하게 크지 않기 때문에 버블이 모양을 유지하고 꾸준히 표면의 상단으로 이동할 수 있다. 이 과정을 반복한 후, 부력이 SLIPS의 버블 접착력보다 커질 때까지 최상위 버블이 합쳐지고, 버블이 전극의 상단에서 쉽게 분리된다. SHS 및 SLIPS 모두 버블 포집 및 운반 기능을 갖추고 있지만 SLIPS에서만 쉽게 버블을 분리 할 수 있다. SLIPS의 적당한 버블 접착력은 이탈/손실이 없이 가스 운반 및 수집에 유리하며 지연없이 제품 수집에 유리하다.where ρ, V, g and α represent the water density, bubble volume, gravitational acceleration and the inclination angle of the substrate, respectively. Two samples were tilted at 40° and a current of 10 mA was applied to each. As shown in FIGS. 2G and 2H , continuous H 2 gas bubbles were generated on the HER surface. As the H 2 gas bubbles generated from the HER electrode migrate towards the SHS, they migrate immediately into the SHS at the Ni-Pt/SHS interface. The rapid transport of bubbles forms an accumulation at the top of the SHS, due to the superaerophilicity and high bubble adhesion of SHS in water. However, excessively high adhesion of gas bubbles on the SHS prevents subsequent gas bubbles from moving to the next collection port. Therefore, it is very difficult to apply SHS to the gas collection system. On the other hand, SLIPS (Fig. 2h) exhibits significantly different bubble behavior from SHS. Because SLIPS is more aerobic than Ni-Pt HER surface and has higher bubble adhesion, H 2 gas bubbles generated on the HER surface are easily trapped at the interface with SLIPS. As the water separation reaction proceeds, the trapped bubbles accumulate and expand. Then, when the F driven overcomes the kinetic resistance with the enlarged V, they are transported along the SLIPS. Unlike SHS, SLIPS is not overly aerobic, so bubbles can retain their shape and move steadily to the top of the surface. After repeating this process, the uppermost bubbles coalesce until the buoyancy is greater than the bubble adhesion of the SLIPS, and the bubbles are easily separated from the top of the electrode. Both SHS and SLIPS have bubble collection and transport functions, but only SLIPS allows easy bubble separation. The moderate bubble adhesion of SLIPS is advantageous for gas transport and collection without separation/loss, and for product collection without delay.

실험예 3. 가스 버블 수집 결과 분석Experimental Example 3. Analysis of gas bubble collection results

도 2에 도시된 수중 가스 버블 운동 결과에 기초하여, 본 발명자들은 효율적인 제품 가스 분리 및 수집을 돕기 위해 전극 표면에 SLIPS 패턴 디자인을 채택했다. 노출된 Ni-Pt 전극의 경우, 버블 접착력이 낮기 때문에 측면 모서리에서 연속적인 가스 버블 누출이 관찰되었으며, 이는 필연적으로 수집 과정에서 높은 손실 및 생성물의 크로스오버를 초래한다 (도 5c). 그러나 스마트하게 설계된 SLIPS 가스 벽을 사용하면 가스 버블 친화성이 높아서 이탈 가능한 가스 버블을 안전하게 유지시킬 수 있다. 도 3a의 개략도에 도시된 바와 같이, 2mm 폭의 SLIPS-개질된 가스 벽 스트립을 전극의 측면 에지 상에 제조하였다. SLIPS 가스 벽의 역할은 가스 버블의 포집(버블 1)을 통해 가스 버블의 누출을 차단하고, 버블을 전극 상단의 수집 포트로 수송하는 것이다. 유입되는 가스 버블이 연속적으로 합쳐지고 SLIPS 벽에서 크기가 커진 후(버블 1+2+3), 상기 방정식(1)의 Fdriven은 V가 확대됨에 따라 증가한다. 그 결과, Fdriven이 수중 버블 운동 저항 (Fresistance)보다 커지면 가스 버블이 움직이기 시작하는데, 이 저항은 접촉각 이력(contact angle hysteresis, FCAH)의 항력 저항(Fdrag)의 합이다.Based on the underwater gas bubble motion results shown in Fig. 2, we adopted a SLIPS pattern design on the electrode surface to help efficient product gas separation and collection. In the case of the exposed Ni-Pt electrode, continuous gas bubble leakage was observed at the side edges due to the low bubble adhesion, which inevitably leads to high losses in the collection process and crossover of the product (Fig. 5c). However, with the smartly designed SLIPS gas wall, the gas bubble affinity is high, keeping the escapeable gas bubbles safe. As shown in the schematic of FIG. 3A , a 2 mm wide SLIPS-modified gas wall strip was prepared on the side edge of the electrode. The role of the SLIPS gas wall is to block the leakage of gas bubbles through collection of gas bubbles (bubble 1) and transport the bubbles to the collection port on top of the electrode. After the incoming gas bubbles successively coalesce and increase in size at the SLIPS wall (bubble 1+2+3), the F driven in Equation (1) above increases as V expands. As a result, when F driven becomes greater than the underwater bubble motion resistance (F resistance ), the gas bubble starts to move, which is the sum of the contact angle hysteresis (F CAH ) and the drag resistance (F drag ).

Figure 112020000349237-pat00002
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상기 방정식 (2) 또는 (3)에서 각각 γ는 매질의 표면 장력, L은 가스 버블의 특성 길이, θa 및 θr은 각각 버블의 전진 및 후진 각도이다. CD는 물의 항력 계수, v는 운반 속도, S는 가스 버블의 단면적, a 및 k는 각각 윤활제 층에서 발생하는 저항력에 대한 정의되지 않은 매개 변수이다.In the above equations (2) or (3), respectively, γ is the surface tension of the medium, L is the characteristic length of the gas bubble, and θa and θr are the forward and backward angles of the bubble, respectively. C D is the drag coefficient of the water, v is the transport speed, S is the cross-sectional area of the gas bubble, and a and k are the undefined parameters for the resistive force developed in the lubricant layer, respectively.

가스 버블이 전극의 상단 가장자리에 도달 한 후, Fdriven이 SLIPS 가스 벽의 접착력보다 커지면 표면에서 분리된다. 이러한 방식으로, SLIPS 가스 벽은 가스 버블의 측면 누출을 억제하고 가스 수집 효율을 향상시킨다.After the gas bubble reaches the top edge of the electrode , it separates from the surface when the F driven becomes greater than the adhesion of the SLIPS gas wall. In this way, the SLIPS gas wall suppresses lateral leakage of gas bubbles and improves gas collection efficiency.

SLIPS 가스 벽의 가스 버블 조작 능력을 추가로 검증하기 위해, 전극은 도 3b에 도시된 바와 같이, 수정되지 않은 일반적인 전극에서 전극의 측면 에지를 통한 가스 누출을 강화하기 위해 30 °로 기울어지고 30 °로 수평으로 기울어졌다. 이러한 조건에서, 차단 벽이 없기 때문에 노출 Ni-Pt 전극 (도S3)의 측면 모서리에서 빠른 가스 누출이 명확하게 관찰된다. 한편, 전극의 측면으로 이동하는 가스 버블 (도 3b(ⅰ))은 SLIPS-개질 측벽 (도 3b(ⅱ))에 단단히 포집된다. 크기가 증가함에 따라 가스 버블은 누출없이 SLIPS 벽을 따라 전극의 상단 가장자리에 운반됩니다 (도 3b(ⅲ)). 상단 가장자리에서, 가스 버블은 수집을 위해 전극 표면에서 쉽게 분리된다 (도 3b (ⅳ)).To further validate the gas bubble manipulation ability of the SLIPS gas wall, the electrode was tilted at 30° and 30° to enhance gas leakage through the lateral edge of the electrode in the unmodified conventional electrode, as shown in Fig. 3b. tilted horizontally to Under these conditions, rapid gas leakage is clearly observed at the side edge of the exposed Ni-Pt electrode (Fig. S3) due to the absence of a barrier wall. On the other hand, gas bubbles moving to the side of the electrode (Fig. 3b(i)) are tightly trapped in the SLIPS-modified sidewall (Fig. 3b(ii)). As the size increases, gas bubbles are carried along the SLIPS wall to the top edge of the electrode without leakage (Fig. 3b(iii)). At the top edge, gas bubbles are easily separated from the electrode surface for collection (Fig. 3b(iv)).

본 발명 고유의 SLIPS 엣지 디자인은 전체 물 전기 분해 시스템의 HER 및 OER 전극 모두에 적용되었다. 선택적인 H2/O2 가스 수집을 위해 소형 배열을 갖도록 도 3c에 도시된 바와 같이 경사진 HER 및 OER 전극을 결합하였다. 스퍼터링 및 전구체 용액 코팅 방법을 사용하여 Pt/Ni 및 Ni(Fe)O/Ni 박막을 각각 HER 및 OER 촉매로 제조하였다. 물 전기분해 반응의 경우, 두 전극 사이에 전기적 바이어스를 가하여 0.1 M KOH 전해질에서 8 mA 전류를 생성한 다음 생성된 가스를 가스 크로마토그래피 (GC)로 분석하였다. 도 3d는 비교를 위해 다양한 전극 배열에 대해 다양한 작동 시간을 갖는 H2 가스 생성물 수집 수율을 도시한다. 세 가지 배열을 비교하였다; ⅰ) 평면, 노출 전극 (planar, with bare electrodes, PBE), ⅱ) 경사, 노출 전극 (inclined, with bare electrodes, IBE) 및 ⅲ) 경사, SLIPS 에지 전극 (inclined, with SLIPS-edged electrodes, ISE). 생성된 광전하 (Q)가 물 전기분해에 완전히 사용될 때, 이상적인 패러데이 법칙을 통해 이상적인 몰량 (n)의 가스 생산량을 하기 방정식 (4)와 같이 계산할 수 있다.The unique SLIPS edge design of the present invention was applied to both the HER and OER electrodes of the entire water electrolysis system. The inclined HER and OER electrodes were combined as shown in FIG. 3c to have a compact arrangement for selective H 2 /O 2 gas collection. Pt/Ni and Ni(Fe)O/Ni thin films were prepared with HER and OER catalysts, respectively, using sputtering and precursor solution coating methods. For the water electrolysis reaction, an electrical bias was applied between the two electrodes to generate an 8 mA current in 0.1 M KOH electrolyte, and then the resulting gas was analyzed by gas chromatography (GC). 3D depicts H 2 gas product collection yields with various operating times for various electrode arrangements for comparison. Three arrays were compared; i) planar, with bare electrodes (PBE), ii) inclined, with bare electrodes (IBE), and iii) inclined, with SLIPS-edged electrodes (ISE) . When the generated photocharge (Q) is completely used for water electrolysis, the gas production of an ideal molar amount (n) can be calculated as in Equation (4) below through the ideal Faraday's law.

nFz = Q (4)nFz = Q (4)

상기 F 및 z는 각각 반응에 관련된 패러데이 상수 및 전자 수를 나타낸다.The F and z represent the Faraday constant and the number of electrons involved in the reaction, respectively.

H2 가스 수집의 이론적 양은 15 분의 전기 분해 동안 37.3 μmol로 계산되었는기 때문에, ISE는 93.4 % (34.8 μmol)의 가장 높은 H2 포집 효율을 보여 주어 연료 가스 수집이 성공적임을 입증하였다. IBE의 경우 부력 추진 가스 수송에서 SLIPS 가스 벽 기능이 없기 때문에 48.8 % (18.2 μmol)의 효율이 훨씬 낮다. 1 % 미만의 효율을 기록하는 PBE의 성능은 더 나빴으며 이는 α 값이 0° 인 평면 전극 배열 방향을 따라 적용되는 가스 수송의 Fdriven이 없기 때문이다. 이 결과는 물 전기 분해 시스템에서 가스 포집/수송/수집에 있어 ISE의 효과를 분명히 보여준다. H2 수집 효율 외에도, 5 분마다 GC를 사용하여 HER/OER 수집 포트에서 H2 및 O2 가스 조성을 측정하여 ISE에서 연료 가스 수집의 순도를 테스트했으며 순도 비율의 결과는 도 3e에 나타내었다. 기록된 H2 순도 결과는 HER 수집 포트에서 94.8, 96.5 및 96.1 %이다. 반대 OER 수집 포트에서, H2 가스 조성물은 15 분의 전기 분해 동안 0.8 % (0.14μmol)보다 낮게 유지된다. 이 결과는 소량의 불순물이 치명적일 수 있는 낮은 전류 스케일에서도, 생성된 H2/O2 가스 버블의 크로스오버를 막고 매우 순도 높은 제품을 얻는 데 가스 분리 시스템의 효과를 증명한다.Since the theoretical amount of H 2 gas collection was calculated to be 37.3 μmol during 15 min of electrolysis, ISE showed the highest H 2 capture efficiency of 93.4% (34.8 μmol), demonstrating that the fuel gas collection was successful. For IBE, the efficiency of 48.8% (18.2 μmol) is much lower due to the lack of a SLIPS gas wall function in buoyant propulsion gas transport. The performance of PBEs recording efficiencies of less than 1% was worse because there is no F driven of gas transport applied along the planar electrode arrangement direction with α value of 0°. These results clearly show the effect of ISE on gas capture/transport/collection in water electrolysis system. In addition to the H 2 collection efficiency, the purity of the fuel gas collection in the ISE was tested by measuring the H 2 and O 2 gas composition at the HER/OER collection port using a GC every 5 min and the results of the purity ratio are shown in Figure 3e. H 2 purity results recorded are 94.8, 96.5 and 96.1% at the HER collection port. At the opposite OER collection port, the H 2 gas composition remains lower than 0.8% (0.14 μmol) during 15 min of electrolysis. This result demonstrates the effectiveness of the gas separation system in preventing crossover of the generated H 2 /O 2 gas bubbles and obtaining a very pure product, even at low current scales where small amounts of impurities can be fatal.

실험예 4. 멤브레인 없는 인공잎 장치의 최적 효율 분석Experimental Example 4. Analysis of Optimal Efficiency of Membrane-Free Artificial Leaf Device

ISE가 있는 모놀리식 PV 전기 분해 시스템을 갖추면 멤브레인 없는 가스 분리/수집 기능을 갖춘 이상적인 소형 인공잎 장치를 구현할 수 있다. 수 분리 반응을 유도하고자 광전압을 생성하기 위해 직렬형 박막 CIS PV 전지를 적용하였다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 수퍼스트레이트(superstrate) CIS/ CdS/ZnO 나노로드 (NR) 박막 PV 전지는 비진공 증착 공정을 통해 제조되고 직렬형 PV 전지 구성을 만들기 위해 상호 연결되었다. 1D 나노 구조의 n 형 CdS/ZnO NR은 p 형 CIS 흡수층과의 큰 p-n 접합을 제공하고, 전하 운반체 분리/수송을 돕고 확산 광 산란/반사를 통해 광 흡수를 향상시킨다. 나노 구조화된 CIS PV 전지의 이러한 특징을 도 4a에 나타내었다. 직렬형 PV 전지의 또 다른 중요한 장점은 도 8에 나타낸 것처럼, Z-scheme과 같이, 해당 전위에 연결된 PV 전지의 수를 단순히 곱하기 때문에 광전압 생성을 용이하게 제어한다는 것이다. Equipping a monolithic PV electrolysis system with ISE enables the implementation of an ideal miniature artificial leaf device with membrane-less gas separation/collection capabilities. To induce a water separation reaction, a series-type thin-film CIS PV cell was applied to generate a photovoltage. As shown in Fig. 4a, superstrate CIS/CdS/ZnO nanorod (NR) thin film PV cells were fabricated via a non-vacuum deposition process and interconnected to make a tandem PV cell configuration. The 1D nanostructured n-type CdS/ZnO NRs provide a large p-n junction with the p-type CIS absorption layer, aid in charge carrier separation/transport, and enhance light absorption through diffuse light scattering/reflection. These characteristics of the nanostructured CIS PV cell are shown in Fig. 4a. Another important advantage of tandem PV cells is that they easily control the photovoltage generation, as shown in FIG.

직렬형 CIS PV 전지와 ISE-개질 HER/OER 전극의 조합은 도 4b에 도시된 것과 같이 모놀리식 인공잎 시스템을 완성한다. 상호 연결된 PV 전지 층을 철저히 밀봉하였고 생체 모방 개질 전극과 폴리머 필름으로 캡슐화하여 유닛을 수용액과의 접촉으로부터 보호한다. 독특한 캡슐 설계로 인해 이러한 모놀리식 모듈은 수면에 부유할 수 있어 태양광 조명을 최대한 활용하고 재사용 할 수 있게 한다(도 4c). PV 전기 분해 장치의 최적 광전류 생성은 3 개의 상호 연결된 PV 전지의 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선에서 두 개의 촉매화된 전극 세트에서 5.39 % 태양 에너지 변환 효율이 되도록 결정된다. J-V 곡선은 1.0M KOH 용액 내에서 AM 1.5 조명 (100 mW/cm2) 하에서 0 내지 3V 사이의 선형 스위핑에 의해 기록되었다. 두 J-V 곡선의 교차점은 도 4d에서 볼 수 있듯이 PV-전기 분해의 예상 구동점 (3.37 mA/cm2 및 1.58 V)을 나타낸다. 유선 배열에서 실제 PV-전기 분해로부터 측정된 광전류 값과 매우 일치하며, 평균 3.36 mA/cm2로 기록되었다. 모놀리식 인공잎을 준비한 후, 태양 수 분리의 생성 가스 (H2/O2)를 수집하였고 각 HER/OER 가스 수집 포트에서 분석하였다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, 생성된 가스 버블은 효율적으로 수집되었고 ISE-개질 된 전극 표면 상에 운반되었다. 도 4e는 30 분의 일관된 광전류 생성에 걸쳐 AM 1.5 조명 동안 H2/O2의 안정적인 가스 생성물 수집을 나타낸다. 패러데이 효율이 이상적으로 100 % (ε = 1)라고 가정하면, H2 수집 수율은 30 분의 태양 수 분리에 대해 대략 93.2 % (22.08μmol)로 평가되며, 대응되는 STH 효율은 GC 결과 및 식 (5)를 사용하여 계산되었다.The combination of tandem CIS PV cells and ISE-modified HER/OER electrodes completes the monolithic artificial leaf system as shown in Fig. 4b. The interconnected PV cell layers were tightly sealed and encapsulated with biomimetic modified electrodes and polymer films to protect the units from contact with aqueous solutions. Due to their unique capsule design, these monolithic modules can float on the water surface, allowing maximum utilization and reuse of solar lighting (Fig. 4c). The optimal photocurrent generation of the PV electrolysis device is determined to be a 5.39% solar energy conversion efficiency in the two catalyzed electrode sets in the current density-voltage (JV) curves of the three interconnected PV cells. JV curves were recorded by linear sweeping between 0 and 3V under AM 1.5 illumination (100 mW/cm 2 ) in 1.0M KOH solution. The intersection of the two JV curves represents the expected driving points of PV-electrolysis (3.37 mA/cm 2 and 1.58 V) as shown in Fig. 4d. The measured photocurrent values from the actual PV-electrolysis in the wired arrangement are in good agreement and averaged 3.36 mA/cm 2 . After preparing the monolithic artificial leaves, the product gas of solar water separation (H 2 /O 2 ) was collected and analyzed at each HER/OER gas collection port. As shown in Fig. 4c, the resulting gas bubbles were efficiently collected and transported onto the ISE-modified electrode surface. 4E shows stable gas product collection of H 2 /O 2 during AM 1.5 illumination over 30 min of consistent photocurrent generation. Assuming that the Faraday efficiency is ideally 100% (ε = 1), the H 2 collection yield is estimated to be approximately 93.2% (22.08 μmol) for 30 min of solar water separation, and the corresponding STH efficiency is calculated from the GC results and equation ( 5) was calculated using

Figure 112020000349237-pat00003
Figure 112020000349237-pat00003

여기서 Pin은 입사광의 전력 밀도, 100 mW/cm2, G°f는 물 전기 분해 (237.15KJ / H2 mol)에 의해 H2를 생성하기 위한 깁스 자유 에너지이며, n (H 2 )은 수집된 H2 가스 몰량이다. t는 조명 시간이고, A는 PV 전지로부터 직렬로 측정된 0.75 cm2의 활성 영역이다. Jworking은 PV-전기 분해시 구동 전류 밀도로서, 3.37 mA/cm2, 이다.where P in is the power density of the incident light, 100 mW/cm 2 , G ° f is the Gibbs free energy for generating H 2 by water electrolysis (237.15 KJ/H 2 mol) , and n (H 2 ) is the collection is the molar amount of H 2 gas. t is the illumination time and A is the active area of 0.75 cm 2 measured in series from the PV cell. J working is the driving current density during PV-electrolysis, which is 3.37 mA/cm 2 .

대응되는 O2 가스 수집은 수 분리 반응의 화학량론적 비율을 나타내며, 이는 H2 수집의 대략 절반 (10.53 μmol)이며, 이는 실제 태양 수 분리를 확인한다. 매우 적은 H2 (0.17 %)를 기록한 것처럼 같이 가스의 크로스오버가 효과적으로 제한되고, 대부분의 H2 가스는 도 4e에 도시된 바와 같이 HER 수집 포트에서 수집된다. 이러한 결과는 본 발명의 생체 모방 표면 설계 ISE가 제품 가스 분리 및 수집을 위한 멤브레인 없는 모놀리식 인공잎 시스템을 개발하는 데 매우 효율적임을 분명히 보여준다.The corresponding O 2 gas collection represents the stoichiometric proportion of the water separation reaction, which is approximately half (10.53 μmol) of the H 2 collection, confirming the actual solar water separation. The crossover of the gas is effectively limited as recorded very little H 2 (0.17%), and most of the H 2 gas is collected at the HER collection port as shown in FIG. 4E . These results clearly show that the biomimetic surface design ISE of the present invention is very efficient for developing a membrane-free monolithic artificial leaf system for product gas separation and collection.

본 발명자들은 종래의 멤브레인 시스템을 필요로하지 않는 물 전기 분해로부터 가스 생성물을 효율적으로 분리, 수송 및 수집하기 위해 경사진 배열로 생체 모방적으로 표면 개질된 HER/OER 전극 세트를 발명하였다. 본 발명의 SLIPS 가스 벽-개질 HER/OER 전극은 모놀리식 인공잎 장치에서 탁월한 선택적 가스 수집 효율을 보여주었다. 전극의 적절한 호기성 및 가스 버블의 접착력 값으로 인해, SLIPS 가스 벽 전극은 차단 누설 기능으로, 생성된 가스 버블을 안전하게 포집, 운송 및 수집한다. 결과적으로, HER 포트에서 H2 가스의 수집 효율은 고순도로 90 % 초과, 95 %까지 기록되었고, 물 전기 분해의 반대 부분인 O2 가스 수집은 OER 포트에서 1 % 미만 H2 의 매우 낮은 크로스오버로 높은 순도를 나타내었다. The present inventors have invented a set of HER/OER electrodes that are biomimetic and surface modified in an inclined arrangement to efficiently separate, transport and collect gaseous products from water electrolysis that do not require conventional membrane systems. The SLIPS gas wall-modified HER/OER electrode of the present invention showed excellent selective gas collection efficiency in a monolithic artificial leaf device. Due to the proper aerobicity of the electrode and the adhesion value of gas bubbles, the SLIPS gas wall electrode has a shut-off leakage function, which safely traps, transports and collects the generated gas bubbles. As a result, the collection efficiency of H 2 gas at the HER port was recorded with high purity >90%, up to 95%, and the O 2 gas collection, which is the opposite part of water electrolysis, has a very low crossover of less than 1% H 2 at the OER port. showed high purity.

10: 전지부
11: 투광성 기판
12: 투명 전극
13: 광흡수층
131: 나노구조체 코어
132: 나노쉘
133: 인필트레이션 층
14: 배면 전극
20: 전극부
10: battery unit
11: light-transmitting substrate
12: transparent electrode
13: light absorption layer
131: nanostructure core
132: nanoshell
133: infiltration layer
14: back electrode
20: electrode part

Claims (11)

물 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,
빛 에너지를 이용하여 물의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및
상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 물을 분해하는 수소 발생 전극부와 산소 기체를 생성하는 전극부; 를 포함하고,
상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고,
상기 전극부는 물 전기분해로부터 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며,
상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,
상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 물과 접촉되는 것을 특징으로 하는,
인공잎 장치.
As an artificial leaf device that can be operated by floating on water,
a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of water by using light energy; and
a hydrogen generating electrode unit receiving electric potential from the battery unit to decompose water through electrolysis and an electrode unit generating oxygen gas; including,
At the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,
The electrode part has a slippery liquid infused porous surface to collect hydrogen gas or oxygen gas generated from water electrolysis,
The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,
A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the water,
artificial leaf device.
제1항에 있어서, 상기 전지부는 수퍼스트레이트형 태양 전지 단위 유닛이 적어도 2개 이상 연결된 직렬형 태양 전지인 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.The artificial leaf device according to claim 1, wherein the cell unit is a series-type solar cell in which at least two or more superstrate-type solar cell unit units are connected. 제2항에 있어서, 상기 전지부는 CIS계 태양전지가 2 이상 직렬로 연결된 것이고,
상기 CIS계 태양전지의 CIS 층은 전지부의 상단에 위치하여 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때 물 위에 드러나는 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.
According to claim 2, wherein the battery unit is a CIS-based solar cells are connected in series,
The artificial leaf device, characterized in that the CIS layer of the CIS-based solar cell is located at the top of the cell unit and is exposed on the water when the artificial leaf device is floated on the water.
제1항에 있어서, 상기 2개의 전극부는 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어 인공잎 장치를 물 위에 띄웠을 때 수중에 존재하는 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.The artificial leaf device according to claim 1, wherein the two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other and are present in water when the artificial leaf device is floated on water. 제1항에 있어서, 상기 수소 발생 전극부는 2 내지 3nm 두께의 수소 발생 촉매층을 포함하고,
상기 수소 발생 촉매층은 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택되는 1종 이상의 귀금속; CoS, MoS 및 CoP 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물; 또는 Ni, Mo, Co, Cu 및 Fe 중에서 선택되는 1종 이상의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.
The method according to claim 1, wherein the hydrogen generating electrode part comprises a hydrogen generating catalyst layer having a thickness of 2 to 3 nm,
The hydrogen generation catalyst layer may include at least one noble metal selected from platinum (Pt), gold (Au), rhodium (Rh), and iridium (Ir); at least one compound selected from CoS, MoS and CoP; or Ni, Mo, Co, Cu, and an artificial leaf device comprising at least one alloy selected from Fe.
제1항에 있어서, 상기 산소 기체를 생성하는 전극부는 30 내지 40nm 두께의 산소 발생 촉매층을 포함하고,
상기 산소 발생 촉매층은 RuO 및 IrO 중에서 선택되는 1종 이상의 귀금속 산화물; NiO, Co3O4, MnO2 중에서 선택되는 1종 이상의 산화물; 또는 (Ni,Fe)O를 포함하는 도핑된 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.
According to claim 1, wherein the electrode for generating the oxygen gas comprises an oxygen generation catalyst layer of 30 to 40nm thickness,
The oxygen evolution catalyst layer may include at least one noble metal oxide selected from RuO and IrO; at least one oxide selected from NiO, Co 3 O 4 , and MnO 2 ; or (Ni,Fe)O-doped oxide comprising an artificial leaf device.
제1항에 있어서. 상기 삼각형에서, 전지부와 수소 발생 전극부가 형성하는 각도와 전지부와 산소 기체를 생성하는 전극부가 형성하는 각도가 동일하고, 상기 삼각형은 이등변삼각형인 것을 특징으로 하는 인공잎 장치.The method of claim 1 . In the triangle, the angle formed by the battery unit and the hydrogen generating electrode unit is the same as the angle formed by the battery unit and the electrode unit generating oxygen gas, and the triangle is an isosceles triangle. 제7항에 있어서, 상기 삼각형에서, 전지부와 수소 발생 전극부가 형성하는 각도와, 전지부와 산소 기체를 생성하는 전극부가 형성하는 각도는 각각 30°이고, 상기 삼각형을 이루는 전극부의 변의 방향의 길이는 2.6 cm인 것인 인공잎 장치.The method of claim 7, wherein in the triangle, the angle formed by the battery unit and the hydrogen generating electrode unit and the angle formed by the battery unit and the electrode unit generating oxygen gas are each 30°, and the direction of the side of the electrode unit forming the triangle is An artificial leaf device with a length of 2.6 cm. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 인공잎 장치를 이용한 수소 기체 포집 방법.A method for collecting hydrogen gas using the artificial leaf device according to any one of claims 1 to 8. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 인공잎 장치를 이용한 산소 기체 포집 방법.The method of collecting oxygen gas using the artificial leaf device according to any one of claims 1 to 8. 액체 위에 띄워 작동이 가능한 인공잎 장치로서,
빛 에너지를 이용하여 액체의 전기분해에 필요한 전위를 제공하는 구성의 증착층을 포함하는 전지부; 및
상기 전지부로부터 전위를 제공받아 전기분해를 통해 액체를 분해하는 산화 전극부 및 환원 전극부; 를 포함하고,
상기 전지부의 하단에 2개의 전극부가 전지부의 양 말단에 연결되고, 상기 2개의 전극부가 서로 연결되어, 상기 2개의 전극부와 상기 전지부가 삼각형 구조를 이루고,
상기 전극부는 액체의 전기분해로부터 생성된 기체를 포집할 수 있도록 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)을 가지며,
상기 전지부를 구성하는 증착층은 상기 삼각형 구조 내부로 향하도록 구비되고,
상기 전극부 상의 액체 주입된 미끄러운 다공성 표면(slippery liquid infused porous surface)은 상기 삼각형 구조 외부로 향하도록 구비되어 상기 액체와 접촉되는 것을 특징으로 하는,
인공잎 장치.
As an artificial leaf device that can be operated by floating on a liquid,
a battery unit including a deposition layer configured to provide a potential necessary for electrolysis of a liquid by using light energy; and
an oxidation electrode unit and a reduction electrode unit receiving a potential from the battery unit and decomposing the liquid through electrolysis; including,
At the bottom of the battery part, two electrode parts are connected to both ends of the battery part, and the two electrode parts are connected to each other, so that the two electrode parts and the battery part form a triangular structure,
The electrode part has a slippery liquid infused porous surface so as to collect the gas generated from the electrolysis of the liquid,
The deposition layer constituting the battery unit is provided to face inside the triangular structure,
A slippery liquid infused porous surface on the electrode part is provided to face out of the triangular structure and is in contact with the liquid,
artificial leaf device.
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