KR102510362B1 - Photoelectrodes for water decomposition with carbon nanodot and a method of manufacturing the same - Google Patents

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하준석
차안나
배효정
성채원
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전남대학교산학협력단
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Abstract

An embodiment of the present invention provides a photoelectrode for water decomposition with carbon nanodots and a manufacturing method thereof. According to an embodiment of the present invention, the photoelectrode for water decomposition comprises: a substrate; a compound semiconductor layer located on the substrate; and a carbon nanodot layer located on the compound semiconductor layer and including a plurality of carbon nanodots.

Description

탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극 및 이의 제조방법{Photoelectrodes for water decomposition with carbon nanodot and a method of manufacturing the same}Photoelectrodes for water decomposition with carbon nanodot and a method of manufacturing the same}

본 발명은 물분해용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photoelectrode for water splitting and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a photoelectrode for water splitting having carbon nano dots and a method for manufacturing the same.

광전기화학적 물분해 방법은 반도체성 전극과 상대전극, 전해액으로 구성되어 있으며, 광전기화학 시스템 내에서 광에 의해 광전극을 여기시키고 이에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 이용하여 물을 분해하는 방법이다.The photoelectrochemical water splitting method consists of a semiconducting electrode, a counter electrode, and an electrolyte, and is a method of decomposing water by exciting a photoelectrode with light in a photoelectrochemical system and using electron-hole pairs generated thereby.

이때, 상기 광전극은 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 갖는 빛을 받으면 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자를 여기시켜서 전도대에는 전자를 형성하고 가전자대에는 정공을 형성한다.At this time, when the photoelectrode receives light having energy equal to or greater than the bandgap energy, it excites electrons from a valence band to a conduction band to form electrons in the conduction band and holes in the valence band.

또한, n-type 반도체의 경우, 들뜬 전자는 반도체 물질 내부와 외부회로를 통해 상대전극으로 이동하여 환원 반응에 참여하고, 정공은 외부로 향해 전해질에 포함된 물질을 산화시킨다.In addition, in the case of an n-type semiconductor, excited electrons move to the counter electrode through an internal and external circuit of the semiconductor material and participate in a reduction reaction, and holes oxidize the material included in the electrolyte toward the outside.

이 결과 전자와 정공의 분리가 효율적으로 일어나고, 광전극에서 생성된 전자는 도선을 통해서 상대전극에 도입되어 수소를 발생시킨다.As a result, separation of electrons and holes occurs efficiently, and electrons generated at the photoelectrode are introduced to the counter electrode through the conducting wire to generate hydrogen.

GaN는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 발광다이오드, 전자소자 등에서 활발하게 사용되는 물질이다. 상기 GaN는 사파이어 기판 위에 성장되며, InN, AlN 등과 합금을 형성할 수 있으므로 이론적으로는 밴드갭을 0.7eV 에서 6.1 eV까지 큰 범위에서 변화시킬 수 있다. GaN is a group III-V compound semiconductor and is a material actively used in light emitting diodes and electronic devices. Since the GaN is grown on a sapphire substrate and can form an alloy with InN, AlN, etc., the band gap can theoretically be changed in a large range from 0.7 eV to 6.1 eV.

또한, GaN는 매우 좋은 화학적 안정성을 갖고 있어서, 모든 산성, 염기성 용액에서 에칭 또는 부식되지 않는 특성을 가지고 있다. 실제로 GaN는 그 화학적 특성만을 살펴보면 SiNx, AlN 등의 질화물과 매우 유사하며, 쉽게 ZnO등의 산화물과도 합금을 생성한다.In addition, GaN has very good chemical stability, so it does not etch or corrode in all acidic and basic solutions. In fact, GaN is very similar to nitrides such as SiNx and AlN when looking only at its chemical properties, and easily creates an alloy with oxides such as ZnO.

하지만 실제로 GaN의 안정성은 실제 응용분야에서 한계를 드러내고 있으며 이러한 단점을 해결하기 위해 광전극 표면에 안정된 물질을 도입하는 것이 널리 연구되고 있으며 이러한 보호층은 계면을 통과하는 전류 흐름을 허용할 뿐만 아니라 전해질에서 화학적으로 안정적이어야 한다.However, in practice, the stability of GaN is showing limitations in practical applications. In order to solve this drawback, introducing stable materials to the photoelectrode surface has been widely studied, and such a protective layer not only allows current flow through the interface, but also electrolyte must be chemically stable.

기존에 광촉매로 사용되던 백금, 루테늄, 산화 티타늄과 같은 물질들은 매장량의 한계와 높은 비용, 독성으로 인한 환경오염, 수용액 상 분산 불가, 불안정성과 같은 단점들을 가진다.Materials such as platinum, ruthenium, and titanium oxide, which have been previously used as photocatalysts, have disadvantages such as limited reserves, high cost, environmental pollution due to toxicity, inability to disperse in aqueous phase, and instability.

이를 해결하기 위한 대안으로 지구상에 가장 풍부한 원소인 탄소기반의 구조체를 이용할 수 있는데, 상기 탄소기반 구조체로써 예를 들어 그래핀(Graphene)이나 흑연 탄소(Graphitic Carbon Nitride)등의 탄소 기반의 광촉매들이 연구된 바 있으나 특성의 조절이 어렵고 물에 용해가 잘 되지 않는다는 단점을 가지고 있다.As an alternative to solving this problem, a carbon-based structure, which is the most abundant element on earth, can be used. As the carbon-based structure, for example, carbon-based photocatalysts such as graphene or graphitic carbon nitride have been studied. However, it has the disadvantage that it is difficult to control the properties and does not dissolve well in water.

대한민국 공개특허공보 제10-2006-0058774호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2006-0058774

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄소나노점(Carbon nanodot;C-dot)을 구비하여 반응효율이 향상되고 안정성을 높여 범용적으로 사용할 수 있는 물 분해용 광전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is provided with carbon nanodot (C-dot) to improve reaction efficiency and increase stability, which can be used universally. It is to provide a photoelectrode and a manufacturing method thereof.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 물분해용 광전극을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, one embodiment of the present invention provides a photoelectrode for water splitting.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 물분해용 광전극 제조방법은, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 화합물 반도체층; 및 상기 화합물 반도체층 상에 위치하되 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the method for manufacturing a photoelectrode for water splitting includes a substrate; a compound semiconductor layer positioned on the substrate; and a carbon nano-dot layer positioned on the compound semiconductor layer and including a plurality of carbon nano-dots.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 화합물 반도체층은 n형 반도체로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the compound semiconductor layer may include at least one compound selected from GaN, GaAs, ZnO, InP, and SiC as an n-type semiconductor.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 화합물 반도체층의 두께는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thickness of the compound semiconductor layer may be 1 μm to 20 μm.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 탄소나노점은 반구형 구조로 형성될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the carbon nanodots may be formed in a hemispherical structure.

본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 탄소나노점은 평균 직경이 1 nm 내지 100 nm 일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the carbon nanodots may have an average diameter of 1 nm to 100 nm.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 물분해용 광전극 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a photoelectrode for water splitting.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 물분해용 광전극 제조방법은 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 화합물 반도체층 상에 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계;및 상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a photoelectrode for water splitting includes forming a compound semiconductor layer on a substrate; The method may include forming an organic polymer compound layer on the compound semiconductor layer; and carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nano dot layer including a plurality of carbon nano dots.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 화합물 반도체층은 n형 반도체 물질로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the compound semiconductor layer on the substrate, the compound semiconductor layer may include at least one compound selected from GaN, GaAs, ZnO, InP, and SiC as an n-type semiconductor material. can

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 화합물 반도체층의 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the compound semiconductor layer on the substrate, the thickness of the compound semiconductor layer may be 1 μm to 20 μm.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서, 상기 유기 고분자 화합물 층은 polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA), 및polybenzimidazole (PBI) 에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the organic polymer compound layer, the organic polymer compound layer is polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly (amic acid) (PAA), and at least one selected from polybenzimidazole (PBI).

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서, 상기 유기 고분자 화합물 층은 다이메틸폼아마이드(DMF)에 유기 고분자 화합물을 투입하여 제조된 유기 고분자 혼합용액을 상기 화합물 반도체층 상에 스핀코팅하여 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the step of forming the organic polymer compound layer, the organic polymer compound layer is prepared by injecting the organic polymer compound into dimethylformamide (DMF), the organic polymer mixture solution prepared by the compound semiconductor It can be formed by spin coating on a layer.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서, 상기 유기 고분자 혼합용액은 상기 유기 고분자 화합물이 0.01wt% 내지 0.03wt% 함유될 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the organic polymer compound layer, the organic polymer mixture solution may contain 0.01wt% to 0.03wt% of the organic polymer compound.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서, 상기 유기 고분자 혼합물 층을 산화하여 고리화 반응을 유도한 후 화학기상증착(CVD) 장비를 이용한 열처리를 수행하여 상기 유기 고분자 화합물이 탄소나노점으로 탄화되도록 할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the carbon nanodot layer, the organic polymer mixture layer is oxidized to induce a cyclization reaction, and then heat treatment is performed using a chemical vapor deposition (CVD) equipment to form the organic polymer mixture layer. A high molecular compound may be carbonized into carbon nanopoints.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서, 상기 산화는 150 °C 내지 300 °C 온도에서 열처리할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the carbon nano dot layer, the oxidation may be heat treatment at a temperature of 150 °C to 300 °C.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서, 상기 탄화는 600 °C 내지 1000 °C 온도에서 열처리할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the step of forming the carbon nanodot layer, the carbonization may be heat treated at a temperature of 600 °C to 1000 °C.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 GaN는 물의 산화 환원 전위에 걸쳐있는 전해질 및 밴드갭 에너지에서 우수한 안정성을 가지고 있기 때문에 물분해 과정에서 외부 편향 없이 안정적으로 물을 분리할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since GaN has excellent stability in an electrolyte and band gap energy that spans the redox potential of water, water can be stably separated without external deflection during the water splitting process.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 물분해용 광전극은 그래핀(Graphene)이나 흑연 탄소 질화물(Graphitic Carbon Nitride)등과 유사한 특성을 지닌 탄소 나노점(carbon nanaodot;C-dot)을 포함하여 형태학적 및 전기적 특성이 쉽게 제어될 수 있다.In addition, the photoelectrode for water splitting according to an embodiment of the present invention includes carbon nanodots (C-dots) having properties similar to those of graphene or graphite carbon nitride, and has morphological properties. and electrical properties can be easily controlled.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 X-선 회절 분석 결과 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 크기 및 분포도 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 SEM 이미지이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 TEM 이미지이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 Raman 스펙트럼 이미지이다.
도 8는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 광전극의 전압에 따른 광전류 밀도를 측정한 결과 이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 광전극의 시간에 따른 광전류 밀도를 측정한 결과 이다.
1 is a schematic diagram showing a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
3 is an image of an X-ray diffraction analysis result for each carbon nano-dot content of a photoelectrode for water splitting having carbon nano-dots according to an embodiment of the present invention.
4 is a result of the size and distribution of the carbon nanopoint content of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
5 is a SEM image of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to the content of carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
6 is a TEM image of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to the content of carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
7 is a Raman spectrum image for each carbon nanopoint content of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.
8 is a result of measuring the photocurrent density according to the voltage of the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention for each carbon nanodot content.
9 is a result of measuring the photocurrent density over time of the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention for each carbon nanodot content.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하여 탄소나노점 층을 구비하는 물분해용 광전극을 설명한다.A photoelectrode for water splitting having a carbon nanodot layer will be described with reference to FIG. 1 .

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극을 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극은 기판(10); 상기 기판 상에 위치하는 화합물 반도체층(20); 및 상기 화합물 반도체층 상에 위치하되 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층(30)을 포함할 수 있다. A photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention includes a substrate 10; a compound semiconductor layer 20 positioned on the substrate; and a carbon nano-dot layer 30 disposed on the compound semiconductor layer and including a plurality of carbon nano-dots.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극은 기판(10)을 포함할 수 있다.A photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention may include a substrate 10 .

상기 기판(10)은 Al2O3, Quartz, Si 및 GaN 에서 선택된 1종 이상의 기판으로 구성될 수 있으며, 상술한 물질에 한정되지 않고 화합물 반도체의 증착 기판으로 사용될 수 있는 일반적인 기판인 경우 사용가능하다.The substrate 10 may be composed of one or more substrates selected from Al 2 O 3 , Quartz, Si, and GaN, and may be used if it is a general substrate that can be used as a deposition substrate for compound semiconductors without being limited to the above-mentioned materials. do.

다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극은 화합물 반도체 층(20)을 포함할 수 있다.Next, the photoelectrode for water splitting having carbon nano dots according to an embodiment of the present invention may include a compound semiconductor layer 20 .

구체적으로, 상기 화합물 반도체 층은 n형 반도체로 구성될 수 있다. Specifically, the compound semiconductor layer may be composed of an n-type semiconductor.

이때, 본 발명에서 적용될 수 있는 상기 n 형 반도체는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.In this case, the n-type semiconductor that can be applied in the present invention is a III-V group compound semiconductor and may include one or more compounds selected from GaN, GaAs, ZnO, InP, and SiC.

이때, 상기 n 형 반도체는 들뜬 전자가 반도체 물질 내부와 외부회로를 통해 상대전극으로 이동하여 환원반응에 참여하고, 정공은 외부로 향해 전해질에 포함된 물질을 산화시킨다.At this time, in the n-type semiconductor, the excited electrons move to the counter electrode through the inside of the semiconductor material and the external circuit to participate in the reduction reaction, and the holes go outward to oxidize the material included in the electrolyte.

이 결과 전자와 정공의 분리가 효율적으로 일어나고, 광전극에서 생성된 전자는 도선을 통해서 상대전극에 도입되어 수소를 발생시킬 수 있다.As a result, separation of electrons and holes occurs efficiently, and electrons generated at the photoelectrode are introduced to the counter electrode through the conducting wire to generate hydrogen.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 n 형 반도체로서 선택된 GaN 는 밴드갭이 0.7eV 에서 6.1eV이고 매우 좋은 화학적 안정성을 갖고 있어서, 모든 산성, 염기성 용액에서 에칭 또는 부식되지 않는 특성을 가질 수 있다.At this time, GaN selected as the n-type semiconductor according to an embodiment of the present invention has a band gap of 0.7eV to 6.1eV and very good chemical stability, so it can have characteristics that are not etched or corroded in any acidic or basic solution. there is.

이때, 상기 화합물 반도체 층(20)은 화학 기상 증착(CVD) 방법을 수행하여 형성될 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 자명한 방법이면 이를 제한하지 않는다.In this case, the compound semiconductor layer 20 may be formed by performing a chemical vapor deposition (CVD) method, and is not limited thereto as long as it is obvious in the art of the present invention.

또한, 상기 화합물 반도체 층(20)은 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.Also, the compound semiconductor layer 20 may be formed to a thickness of 1 μm to 20 μm.

다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극은 상기 화합물 반도체층 상에 위치하되 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층(30)을 포함할 수 있다.Next, the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention may include a carbon nanodot layer 30 disposed on the compound semiconductor layer but including a plurality of carbon nanodots. .

상기 탄소나노점(30)은 반구형 구조로 형성될 수 있다. The carbon nano dots 30 may be formed in a hemispherical structure.

상기 반구형 구조의 탄소나노점(30)은 평균 직경이 1 nm 내지 100 nm 일 수 있다. The hemispherical carbon nano-dots 30 may have an average diameter of 1 nm to 100 nm.

이때, 상기 탄소나노점 층(30)을 형성하는 방법은 다음과 같다. At this time, the method of forming the carbon nano-dot layer 30 is as follows.

먼저, 상기 화합물 반도체층(20) 상의 일부 영역에 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계;및 상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층(30)을 형성하는 단계를 수행하여 형성될 수 있다. First, forming an organic polymer compound layer on a partial region of the compound semiconductor layer 20; and carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nano-dot layer 30 including a plurality of carbon nano-dots. It can be formed by performing

구체적으로, 상기 탄소나노점이 반구형 구조를 갖도록 하기 위해서 상기 유기 고분자 혼합물 층을 산화하여 고리화 반응을 유도한 후 화학기상증착(CVD) 장비를 이용한 열처리를 수행하여 상기 유기 고분자 화합물이 탄소나노점으로 탄화되도록 할 수 있다.Specifically, in order for the carbon nanopoints to have a hemispherical structure, the organic polymer mixture layer is oxidized to induce a cyclization reaction, and then heat treatment is performed using chemical vapor deposition (CVD) equipment to convert the organic polymer compound into carbon nanodots. can be carbonized.

즉, 상기 화합물 반도체 층(20)을 덮도록 형성된 유기 고분자 화합물 층을 탄화하는 경우 유기 고분자 화합물이 일정 크기로 뭉쳐서 반구형 형태의 탄소나노점(30)들을 형성할 수 있다.That is, when the organic polymer compound layer formed to cover the compound semiconductor layer 20 is carbonized, the organic polymer compound may be aggregated to a certain size to form hemispherical carbon nano dots 30 .

상기 탄소나노점을 형성하는 원리는 다음과 같다.The principle of forming the carbon nanodots is as follows.

상기 고리화 반응은 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 전구체의 고분자 사슬과 인접한 -C≡N 작용기 사이의 반응에 의해 이루어지며 -C=N- 결합으로의 전환반응이 일어난다.The cyclization reaction is performed by a reaction between the polymer chain of the polyacrylonitrile (PAN) precursor and an adjacent -C≡N functional group, and a conversion reaction into a -C=N- bond occurs.

반응의 안정화 단계 중 하나인 탈수소화 반응(산화)은 이중결합이 형성되어 고분자 사슬을 안정화 시키는 반응이다. 이때, 형성된 이중결합은 열 안정성을 증가시켜 탄화과정에서 고분자 사슬의 절단을 감소시킨다.Dehydrogenation (oxidation), one of the stabilization steps of the reaction, is a reaction in which double bonds are formed to stabilize the polymer chain. At this time, the formed double bond increases thermal stability and reduces the breakage of the polymer chain during carbonization.

불활성 분위기 하에서 진행되는 탄화 단계에서는 고온에서 방향족 고리가 성장하고 중합이 진행되며 이 과정에서 탄소의 질량 함량이 90% 이상으로 전환된다. 이러한 과정에서 서로간의 반데르발스 힘(van der Walls force)때문에 서로 응집이 될 수 있다.In the carbonization step conducted under an inert atmosphere, aromatic rings grow at high temperature and polymerization proceeds, and in this process, the mass content of carbon is converted to 90% or more. In this process, cohesion may occur due to the mutual van der Waals force.

상기 탄소나노점을 구비하는 광전극은 상기 탄소나노점 재료 자체의 우수한 기계적 강도, 높은 전기 전도성 및 화학적 안정성을 가지는 물질 특성에 의해 광전극에 의한 물분해 효율이 향상되도록 할 수 있다.The photoelectrode having the carbon nanodots can improve water decomposition efficiency by the photoelectrode due to the material properties of the carbon nanodot material itself having excellent mechanical strength, high electrical conductivity, and chemical stability.

이때, 상기 탄소나노점을 구비하는 광전극의 구체적인 광전류 밀도 효율 에 대한 실험예는 후술하기로 한다.In this case, an experimental example of a specific photocurrent density efficiency of the photoelectrode including the carbon nanodots will be described later.

이때, 상기 탄소나노점(30)의 평균 직경은 상기 유기 고분자 화합물의 함량에 따라 조절 될 수 있다.At this time, the average diameter of the carbon nano dots 30 may be adjusted according to the content of the organic polymer compound.

상기 유기 고분자 화합물 층은 다이메틸폼아마이드(DMF)에 유기 고분자 화합물을 투입하여 제조된 유기 고분자 혼합용액을 상기 화합물 반도체층 상에 스핀코팅하여 형성될 수 있다.The organic polymer compound layer may be formed by spin-coating an organic polymer mixture solution prepared by adding an organic polymer compound to dimethylformamide (DMF) on the compound semiconductor layer.

이때, 상기 유기 고분자 혼합용액은 상기 유기 고분자 화합물이 0.01wt% 내지 0.03wt% 함유될 수 있다.At this time, the organic polymer mixed solution may contain 0.01wt% to 0.03wt% of the organic polymer compound.

이때, 상기 유기 고분자 화합물의 함량이 증가할수록 탄소나노점(30)의 크기가 증가할 수 있으며, 자세한 실험예는 후술하기로 한다.At this time, as the content of the organic polymer compound increases, the size of the carbon nano-dots 30 may increase, and detailed experimental examples will be described later.

따라서, 상기 물분해용 광촉매는 탄소나노점을 포함하여 재료자체의 우수한 기계적 강도, 전기 전도성이 우수한 효과가 있을 수 있으며, 안정성이 우수하기 때문에 물분해 과정에서 외부 편향 없이 안정적으로 물을 분리할 수 있다.Therefore, the photocatalyst for water splitting can have excellent mechanical strength and electrical conductivity of the material itself, including carbon nanopoints, and can stably separate water without external deflection in the water splitting process because of its excellent stability. .

도2를 참조하여 탄소나노점 층을 구비하는 물분해용 광전극의 제조방법을 설명한다.Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a photoelectrode for water splitting having a carbon nanodot layer will be described.

도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 제조방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photoelectrode for water splitting having carbon nano dots according to an embodiment of the present invention.

상기 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 제조방법은 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계(S100); 상기 화합물 반도체층 상에 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계(S200);및 상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.The manufacturing method of the photoelectrode for water splitting having the carbon nanodots includes forming a compound semiconductor layer on a substrate (S100); Forming an organic polymer compound layer on the compound semiconductor layer (S200); and carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nanodot layer including a plurality of carbon nanodots (S300). there is.

첫째 단계에서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. (S100)In the first step, according to an embodiment of the present invention, a step of forming a compound semiconductor layer on a substrate may be included. (S100)

이때, 상기 기판은 Al2O3, Quartz, Si 및 GaN 에서 선택된 1종 이상의 기판으로 구성될 수 있으며, 상술한 물질에 한정되지 않고 화합물 반도체의 증착 기판으로 사용될 수 있는 일반적인 기판인 경우 사용가능하다.At this time, the substrate may be composed of one or more substrates selected from Al 2 O 3 , Quartz, Si and GaN, and it is not limited to the above-mentioned materials and can be used if it is a general substrate that can be used as a deposition substrate for compound semiconductors. .

또한, 상기 화합물 반도체층은 n형 반도체 물질로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. In addition, the compound semiconductor layer may include at least one compound selected from GaN, GaAs, ZnO, InP, and SiC as an n-type semiconductor material.

이때, 화학기상층착(CVD)방법을 수행하여 기판 상에 화합물 반도체층을 형성할 수 있다.At this time, a compound semiconductor layer may be formed on the substrate by performing a chemical vapor deposition (CVD) method.

또한, 상기 화합물 반도체층의 두께는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. In addition, the thickness of the compound semiconductor layer may be 1 μm to 20 μm.

둘째 단계에서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 화합물 반도체층 상에 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. (S200)In the second step, according to an embodiment of the present invention, a step of forming an organic polymer compound layer on the compound semiconductor layer may be included. (S200)

이때, 상기 유기 고분자 화합물 층은 polyacrylonitrile(PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA), 및 polybenzimidazole (PBI) 에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.At this time, the organic polymer compound layer is at least one selected from polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose, poly (vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly (amic acid) (PAA), and polybenzimidazole (PBI) can include

이때, 상기 폴리아크릴로니크릴(PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA) 및 polybenzimidazole (PBI) 에서 선택된 1종 이상의 물질은 공통적으로 탄소전구체인 물질이다.At this time, at least one material selected from polyacryloniacryl (PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA) and polybenzimidazole (PBI) is common. It is a carbon precursor material.

이때, 상기 유기 고분자 화합물 층은 다이메틸폼아마이드(DMF)에 유기 고분자 화합물을 투입하여 제조된 유기 고분자 혼합 용액을 상기 화합물 반도체층 상에 스핀코팅하여 형성될 수 있다.In this case, the organic polymer compound layer may be formed by spin-coating an organic polymer mixture solution prepared by adding an organic polymer compound to dimethylformamide (DMF) on the compound semiconductor layer.

상기 유기 고분자 혼합용액은 상기 유기 고분자 화합물이 0.01wt% 내지 0.03wt% 함유될 수 있다.The organic polymer mixed solution may contain 0.01wt% to 0.03wt% of the organic polymer compound.

셋째 단계에서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. (S300)In the third step, according to an embodiment of the present invention, a step of carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nano-dot layer including a plurality of carbon nano-dots may be included. (S300)

상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서, 상기 유기 고분자 혼합물 층을 산화하여 고리화 반응을 유도한 후 화학기상증착(CVD) 장비를 이용한 열처리를 수행하여 상기 유기 고분자 화합물이 탄소나노점으로 탄화되도록 할 수 있다.In the step of carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nano-dot layer including a plurality of carbon nano-dots, after inducing a cyclization reaction by oxidizing the organic polymer mixture layer, chemical vapor deposition (CVD) equipment is used. Heat treatment may be performed to carbonize the organic polymer compound into carbon nanopoints.

즉, 상기 화합물 반도체 층을 덮도록 형성된 유기 고분자 화합물 층을 탄화하는 경우 유기 고분자 화합물이 일정 크기로 뭉쳐서 탄소나노점들을 형성할 수 있다.That is, when the organic polymer compound layer formed to cover the compound semiconductor layer is carbonized, the organic polymer compound may be aggregated to a certain size to form carbon nano dots.

상기 고리화 반응은 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 전구체의 고분자 사슬과 인접한 -C≡N 작용기 사이의 반응에 의해 이루어지며 -C=N- 결합으로의 전환반응이 일어난다.The cyclization reaction is performed by a reaction between the polymer chain of the polyacrylonitrile (PAN) precursor and an adjacent -C≡N functional group, and a conversion reaction into a -C=N- bond occurs.

반응의 안정화 단계 중 하나인 탈수소화 반응(산화)은 이중결합이 형성되어 고분자 사슬을 안정화 시키는 반응이다. 이때, 형성된 이중결합은 열 안정성을 증가시켜 탄화과정에서 고분자 사슬의 절단을 감소시킨다.Dehydrogenation (oxidation), one of the stabilization steps of the reaction, is a reaction in which double bonds are formed to stabilize the polymer chain. At this time, the formed double bond increases thermal stability and reduces the breakage of the polymer chain during carbonization.

불활성 분위기 하에서 진행되는 탄화 단계에서는 고온에서 방향족 고리가 성장하고 중합이 진행되며 이 과정에서 탄소의 질량 함량이 90% 이상으로 전환된다. 이러한 과정에서 서로간의 반데르발스 힘(van der Walls force)때문에 서로 응집이 될 수 있도록 한다.In the carbonization step conducted under an inert atmosphere, aromatic rings grow at high temperature and polymerization proceeds, and in this process, the mass content of carbon is converted to 90% or more. In this process, they can be cohesive due to the mutual van der Waals forces.

이때, 상기 산화는 150 °C 내지 300 °C 온도에서 열처리할 수 있다. In this case, the oxidation may be heat treated at a temperature of 150 °C to 300 °C.

상기 산화를 150 °C 내지 300 °C 온도에서 하는 이유는 산화 분위기하에서 진행되는 안정화 단계에서 고리화(cyclization) 반응과 탈수소화(dehydrogenation) 반응이 진행되어 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성하고 이를 통해서 고온에서 탄소나노점이 용융 되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 이러한 안정화 단계 후에 흰색의 폴리아크릴로니트릴(PAN) 고분자의 탄소나노점이 갈색을 띄게 된다.The reason why the oxidation is performed at a temperature of 150 °C to 300 °C is that in the stabilization step in an oxidizing atmosphere, a cyclization reaction and a dehydrogenation reaction proceed to form a ladder structure having heat resistance, and through this, a high temperature This is because it can prevent the melting of carbon nanopoints in After this stabilization step, the carbon nano dots of the white polyacrylonitrile (PAN) polymer turn brown.

또한, 상기 탄화는 600 °C 내지 1000 °C 온도에서 열처리할 수 있다. In addition, the carbonization may be heat treated at a temperature of 600 °C to 1000 °C.

상기 탄화를 600 °C 내지 1000 °C 온도에서 하는 이유는 불활성 분위기 하에서 진행되는 탄화 단계에서는 고온에서 방향족 고리가 성장하고 중합이 진행되며 이 과정에서 탄소의 질량함량이 90% 이상으로 전환될 수 있기 때문이다. The reason why the carbonization is performed at a temperature of 600 ° C to 1000 ° C is that in the carbonization step, which is performed under an inert atmosphere, aromatic rings grow at high temperatures, polymerization proceeds, and in this process, the mass content of carbon can be converted to 90% or more. Because.

이때, 탄화 과정을 자세히 보면 2 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 열분해 과정으로 600 °C전까지의 반응영역이다. 이 영역에서는 고분자 고리가 불안정하고 물질의 전달 속도가 느리다.At this time, if you look closely at the carbonization process, it can be divided into two steps. The first step is the thermal decomposition process, which is the reaction zone up to 600 °C. In this region, the polymeric ring is unstable and the rate of material transport is slow.

두 번째 단계는 600 °C 내지 최종 탄화온도 영역에서는 고분자 고리가 구조적으로 안정화 되어 최종적인 고순도의 탄소를 형성할 수 있다. 또한, 800 °C 이상의 온도로 가열하면 N2, HCN 기체의 증가 및 CH4, CO, CO2 가스가 발생하여 탄소 고리의 수가 증가함으로 고강도의 탄소나노점를 제조할 수 있다.In the second step, in the range of 600 °C to the final carbonization temperature, the polymer ring is structurally stabilized to form final high-purity carbon. In addition, when heated to a temperature of 800 °C or higher, N 2 and HCN gas increase and CH 4 , CO, and CO 2 gas are generated to increase the number of carbon rings, thereby producing high-strength carbon nanodots.

상술한 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 물리적 또는 화학적 특성을 분석하기 위하여, 상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계 이후에, 상기 화합물 반도체 층 상에 탄소나노점(C-dot)을 생성한 후 인듐 납땜을 사용하여 Cu 와이어로 옴 접합을 형성하는 단계; 전해질에 투입되는 경우 발생되는 누설 전류를 방지하기 위해 모든 샘플을 에폭시 수지로 추가 절연시키는 단계;및 광전지(PEC)의 특성을 분석하기 위해 상온에서 하루 동안 건조하여 에폭시 수지를 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In order to analyze the physical or chemical properties of the photoelectrode for water splitting having the above-described carbon nanodots, after carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nanodot layer including a plurality of carbon nanodots, the After generating carbon nano dots (C-dots) on the compound semiconductor layer, forming an ohmic junction with a Cu wire using indium solder; Additional insulation of all samples with epoxy resin to prevent leakage current generated when injected into the electrolyte; and curing the epoxy resin by drying at room temperature for one day to analyze the characteristics of the photovoltaic cell (PEC). can do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극은 물의 산화 환원 전위에 걸쳐있는 전해질 및 밴드갭 에너지에서 우수한 안정성을 가지고 있는 화합물 반도체 층을 포함하기 때문에 물분해 과정에서 외부 편향 없이 안정적으로 물을 분리할 수 있다.Since the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte that spans the redox potential of water and a compound semiconductor layer having excellent stability in band gap energy, there is no external deflection in the water splitting process. water can be separated reliably.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 물분해용 광전극은 그래핀(Graphene)이나 흑연 탄소 질화물(Graphitic Carbon Nitride)등과 유사한 특성을 지닌 탄소 나노점(carbon nanaodot;C-dot)을 포함하여 형태학적 및 전기적 특성이 쉽게 제어될 수 있는 효과가 있다.In addition, the photoelectrode for water splitting according to an embodiment of the present invention includes carbon nanodots (C-dots) having properties similar to those of graphene or graphite carbon nitride, and has morphological properties. and electrical characteristics can be easily controlled.

본 발명의 일 실시 예에 따라 저비용으로 제조되고 특성 제어가 쉬운 탄소나노점 광촉매 개발로 인하여 물분해의 안정성이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the stability of water splitting can be improved due to the development of a carbon nano-dot photocatalyst that is manufactured at low cost and whose properties can be easily controlled.

실시예Example

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 제조방법을 설명한다.A method for manufacturing a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 2인치 Al2O3 기판을 준비한다.First, a 2-inch Al 2 O 3 substrate is prepared.

다음으로, 상기 Al2O3 기판 상에 MOCVD 방법을 수행하여 GaN로 구성된 화합물 반도체 층을 형성한다.Next, an MOCVD method is performed on the Al 2 O 3 substrate to form a compound semiconductor layer made of GaN.

다음으로, 다이메틸폼아마이드(DMF) 에 폴리아크릴로니크릴(PAN)을 투입하여 유기 고분자 혼합용액을 제조한다.Next, an organic polymer mixed solution is prepared by adding polyacrylonitrile (PAN) to dimethylformamide (DMF).

이때, 상기 폴리아크릴로니크릴(PAN)의 함량은 0.03 wt% 이다.At this time, the content of the polyacrylonicryl (PAN) is 0.03 wt%.

다음으로, 상기 유기 고분자 혼합용액을 상기 화합물 반도체 층 상의 일부 영역에 10 nm 두께로 형성되도록 스핀 코팅을 수행한다.Next, spin coating is performed to form the organic polymer mixed solution in a partial region on the compound semiconductor layer to a thickness of 10 nm.

다음으로, 상기 스핀 코팅된 폴리아크릴로니크릴(PAN)층이 산화되도록 박스 퍼니스(Box furnace) 장치에서 270°C 에서 2시간 동안 가열한다. Next, the spin-coated polyacrylonicryl (PAN) layer is heated at 270° C. for 2 hours in a box furnace to be oxidized.

다음으로, 산화된 폴리아크릴로니트릴(PAN)층이 형성된 기판을 화학기상증착(CVD) 장비에 투입한 후 수소/아르곤이 혼합된 기체 분위기에서 5°C/min 속도로 800°C로 열처리하여 탄화시킨다.Next, the substrate on which the oxidized polyacrylonitrile (PAN) layer is formed is put into a chemical vapor deposition (CVD) equipment, and then heat treated at 800°C at a rate of 5°C/min in a hydrogen/argon mixed gas atmosphere. carbonize

다음으로, 인듐 납땜을 이용하여 구리(Cu)와이어로 옴 접합을 형성한다.Next, an ohmic junction is formed with a copper (Cu) wire using indium solder.

다음으로, 에폭시 수지로 추가 절연시킨다.Next, it is further insulated with epoxy resin.

다음으로, 상온에서 하루동안 건조하여 에폭시 수지를 경화시킨다.Next, the epoxy resin is cured by drying at room temperature for one day.

이로써, 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극을 제조하였다.Thus, a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots was manufactured.

실험예Experimental example

광전기화학적 성능을 조사하기 위해 NaOH 전해질 1M 에서 Ag/AgCl/KCl을 기준 전극(Reference Electrode), Pt wire를 상대 전극(Count Electrode) 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극을 작업 전극(Working Electrode)으로 3전극을 구성하여 AM 1.5G 솔라 시뮬레이터를 사용하여 광전기화학적 특성을 평가하였다.In order to investigate the photoelectrochemical performance, Ag / AgCl / KCl in NaOH electrolyte 1M as a reference electrode (Reference Electrode), Pt wire as a counter electrode (Count Electrode), and for water decomposition having carbon nano dots according to an embodiment of the present invention Photoelectrochemical properties were evaluated using an AM 1.5G solar simulator by configuring three electrodes as a working electrode.

상기 실시예에 의해 제조된 물분해용 광전극 중에서 상기 폴리아크릴로니크릴(PAN)의 함량을 0.01wt%, 0.02wt% 또는 0.03wt% 로 조절하여 탄화된 각각의 샘플을 C-dot 0.01 wt%, C-dot 0.02 wt% 또는 C-dot 0.03 wt% 로 약칭하였다.Among the photoelectrodes for water splitting prepared in the above example, each sample carbonized by adjusting the content of polyacryloniacryl (PAN) to 0.01wt%, 0.02wt% or 0.03wt% was prepared with C-dot 0.01 wt%, Abbreviated as C-dot 0.02 wt% or C-dot 0.03 wt%.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 X-선 회절 분석 결과 이미지이다.3 is an image of an X-ray diffraction analysis result for each carbon nano-dot content of a photoelectrode for water splitting having carbon nano-dots according to an embodiment of the present invention.

도 3은 탄화 공정 후 C-dot 0.01wt%, C-dot 0.02wt%, C-dot 0.03wt%을 함유하는 광전극과 GaN 표면의 X-선 회절 분석 결과이다.3 is an X-ray diffraction analysis result of a photoelectrode containing 0.01wt% C-dot, 0.02wt% C-dot, and 0.03wt% C-dot and the surface of GaN after the carbonization process.

상기 도 3을 참조하면, C-dot 0.01 wt%, C-dot 0.02 wt%, C-dot 0.03 wt%을 함유하는 광전극의 피크를 GaN 와 비교하였을 때, 상기 탄소나노점이 생성된 광전극의 X-선 회절 피크가 이동하지 않은 것을 할 수 있다.Referring to FIG. 3, when the peaks of the photoelectrode containing 0.01 wt% of C-dot, 0.02 wt% of C-dot, and 0.03 wt% of C-dot are compared with GaN, the peaks of the photoelectrode in which the carbon nano dots are generated It is possible that the X-ray diffraction peak did not shift.

이로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 광전극은 GaN로 구성된 화합물 반도체층이 형성된 것을 확인 할 수 있다.Thus, it can be confirmed that the compound semiconductor layer made of GaN is formed in the photoelectrode having carbon nano dots according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 크기 및 분포도 결과이다.4 is a result of the size and distribution of the carbon nanopoint content of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.

도4는 C-dot 0.01 wt%을 함유하는 광전극의 탄소나노점의 평균 크기는 5.62nm, C-dot 0.02 wt%을 함유하는 광전극의 평균 크기는 6.82nm, C-dot 0.03 wt%을 함유하는 광전극의 평균 크기는 11.97nm 이다.4 shows that the average size of the carbon nano dots of the photoelectrode containing 0.01 wt% of C-dot is 5.62 nm, and the average size of the photoelectrode containing 0.02 wt% of C-dot is 6.82 nm and 0.03 wt% of C-dot. The average size of the containing photoelectrodes is 11.97 nm.

도4을 참조하면, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 함량이 증가함에 따라 탄소나노점(C-Dot)의 직경 평균 사이즈가 커지는 것을 확인 할 수 있으며 이를 통해 원하는 응용 분야에 따라 탄소나노점의 크기를 쉽게 제어 할 수 있다.Referring to Figure 4, it can be seen that the average size of the diameter of the carbon nano-dots (C-Dot) increases as the content of polyacrylonitrile (PAN) increases. Easy to control.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 SEM 이미지이다.5 is a SEM image of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to the content of carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.

도5(a)는 탄소나노점이 형성되지 않은 GaN 표면, 도5(b)는 C-dot 함량이 0.01 wt% 인 탄소나노점의 표면, 도5(c)는 C-dot 함량이 0.02 wt% 인 탄소나노점의 표면, 도5(d)는 C-dot 함량이 0.03 wt% 인 탄소나노점의 표면을 나타낼 수 있다. Figure 5 (a) shows the surface of GaN on which carbon nano dots are not formed, Figure 5 (b) shows the surface of carbon nano dots with a C-dot content of 0.01 wt%, and Figure 5 (c) shows a surface with a C-dot content of 0.02 wt %. The surface of phosphorus carbon nanodots, FIG. 5(d) may show the surface of carbon nanodots having a C-dot content of 0.03 wt%.

도 5를 참조하면, GaN 표면 위에 폴리아크릴로니트릴(PAN) 함량이 증가할 수록 탄소나노점(C-Dot)이 도포된 개수가 증가하고 탄소나노점(C-Dot)의 크기가 커진 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 5, as the content of polyacrylonitrile (PAN) on the surface of GaN increases, the number of C-Dots applied increases and the size of the C-Dots increases. can do.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 TEM 이미지이다.6 is a TEM image of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to the content of carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 TEM분석을 하기 위해 상기 탄소나노점 상에 백금(Pt)층을 형성하였다.In addition, in order to perform TEM analysis of the photoelectrode for water splitting having the carbon nanodots, a platinum (Pt) layer was formed on the carbon nanodots.

상기 도 6을 참조하면, GaN 표면 상에 형성된 탄소나노점(C-Dot)의 단면을 나타내는 이미지로서, 상기 탄소나노점(C-Dot)이 GaN 표면에 Dot 모양을 유지하고 있음을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 6, as an image showing a cross section of carbon nano dots (C-Dot) formed on the GaN surface, it can be confirmed that the carbon nano dot (C-Dot) maintains a dot shape on the GaN surface. there is.

도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 Raman 스펙트럼 이미지이다.7 is a Raman spectrum image for each carbon nanopoint content of a photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention.

도 7은 그래핀과 흑연에서 관찰되는 비탄성 산란된 빛의 강도(Intensity) 및 잃어버린 에너지 크기를 나타내고 있다. 7 shows the intensity and lost energy of inelastically scattered light observed in graphene and graphite.

상기 도 7을 참조하면, 1580cm-1부근에 G라고 표기된 피크(peak)는 운동량이 0인 면내포논모드(In-plane phonon mode)에 의해 생성되는데 흑연 관련물질들에서 공통적으로 나타나는 피크 이기 때문에 흑연(Graphite)의 앞 글자인 G로 표기한다. Referring to FIG. 7, the peak labeled G near 1580 cm -1 is generated by an in-plane phonon mode with zero momentum, which is a common peak in graphite-related materials. It is marked with G, the first letter of Graphite.

D 라고 표기된 1350cm-1부근의 피크는1350cm-1에너지를 갖는 포논에 의한 비탄성 산란과 결손(Defect)/치환 지점 주변에서의 탄성 산란이 순서에 상관없이 연이어서 발생될 경우에 나타나며 결손 및 치환이 많이 된 구조물일수록 피크의 강도가 크게 나타난다.The peak near 1350 cm -1 labeled D appears when inelastic scattering by phonons having 1350 cm -1 energy and elastic scattering around the defect/substitution point occur consecutively regardless of order, and the defect and substitution occur The larger the number of structures, the greater the intensity of the peak.

또한, 2700cm-1부근에 있는 2D로 표기된 피크는 1350cm-1에너지를 갖는 포논에 의한 비탄성 산란이 2번 연이어서 발생될 경우에 나타나기 때문에 해당 피크는1350cm-1의 두 배인 2700cm-1 부근에서 나타난다.In addition, since the peak marked with 2D near 2700 cm -1 appears when inelastic scattering by phonons having energy of 1350 cm -1 occurs twice in succession, the corresponding peak appears around 2700 cm -1 which is twice as large as 1350 cm -1 . .

따라서, 도7의 그래프를 보면 본 발명의 일 실시 예에 따른 물분해용 광전극은 D밴드 (1363 cm-1)와 G밴드 (1577 cm-1) 그리고 2D밴드 (2816 cm-1) 에서 나타나는 피크가 있으므로, 그래핀이나 탄소(Carbon)특성을 가진 물질이 포함된 것을 확인할 수 있다.Therefore, looking at the graph of FIG. 7, the photoelectrode for water splitting according to an embodiment of the present invention has peaks appearing in the D band (1363 cm -1 ), the G band (1577 cm -1 ) and the 2D band (2816 cm -1 ). Since there is, it can be confirmed that materials with graphene or carbon properties are included.

이때, 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 방식으로 GaN 위에 탄화된 탄소나노점(C-Dot)의 함량에 따라 동일한 피크를 나타내므로 함량별 품질차이는 거의 없는 것을 확인 할 수 있다.At this time, since the same peaks are shown according to the content of carbon nano-dots (C-Dots) carbonized on GaN in the method according to an embodiment of the present invention described above, it can be confirmed that there is almost no difference in quality by content.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 광전극의 전압에 따른 광전류 밀도를 측정한 결과 이다.8 is a result of measuring the photocurrent density according to the voltage of the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention for each carbon nanodot content.

기존 GaN의 물분해 광전류 밀도에 비해 탄소나노점(C-Dot)을 생성한 모든 샘플에서 광전류 밀도 효율이 개선되었음을 확인 할 수 있었으며 특히, C-Dot 0.01 wt%에서 가장 높은 광전류 밀도가 얻어진 것을 확인 할 수 있다.Compared to the water splitting photocurrent density of conventional GaN, it was confirmed that the photocurrent density efficiency was improved in all samples with carbon nano dots (C-Dot), and in particular, the highest photocurrent density was obtained at 0.01 wt% of C-Dot. can do.

이때, C-Dot 0.02 wt% 와 C-Dot 0.03 wt%을 포함하는 광전극의 광전류밀도가 C-Dot 0.01 wt%을 포함하는 광전극의 광전류밀도보다 감소됨을 확인 할 수 있었으며 이는 탄소나노점(C-Dot) 함량의 증가시 증가된 결함 밀도 때문일 수 있다. At this time, it was confirmed that the photocurrent density of the photoelectrode containing 0.02 wt% of C-Dot and 0.03 wt% of C-Dot was reduced compared to the photocurrent density of the photoelectrode containing 0.01 wt% of C-Dot. This may be due to the increased defect density when the C-Dot) content is increased.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노점을 구비하는 물분해용 광전극의 탄소나노점 함량별 광전극의 시간에 따른 광전류 밀도를 측정한 결과 이다.9 is a result of measuring the photocurrent density over time of the photoelectrode for water splitting having carbon nanodots according to an embodiment of the present invention for each carbon nanodot content.

도9는 탄소나노점(C-Dot)을 포함하는 광전극의 물분해 신뢰성을 확인 할 수 있는 그래프이다. 9 is a graph confirming the water decomposition reliability of the photoelectrode including carbon nano-dots (C-Dot).

상기 도9를 참조하면, 탄소나노점(C-Dot)이 형성된 경우 모든 샘플의 안정성이 향상되었으나 C-Dot 0.03 wt% 샘플에서 가장 낮은 신뢰성을 보여지는 것을 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 9 , when carbon nano dots (C-Dots) were formed, the stability of all samples was improved, but it could be confirmed that the C-Dot 0.03 wt% sample showed the lowest reliability.

하지만 상기 C-Dot 0.03 wt% 샘플은 기존 GaN 보다는 높은 안정성을 보여주는 것을 확인 할 수 있다. However, it can be confirmed that the C-Dot 0.03 wt% sample shows higher stability than the conventional GaN.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 탄소나노점(C-Dot)은 빠른 전하 이동으로 인한 광전류를 증가시킬 뿐만 아니라 전극 표면에 포토 홀(Photohole)이 축적되는 것을 방지하여 GaN의 안정성을 향상시킬 수 있다.The carbon nano-dots (C-Dot) according to an embodiment of the present invention can improve the stability of GaN by preventing photoholes from accumulating on the electrode surface as well as increasing photocurrent due to fast charge transfer. there is.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 기판
20: 화합물 반도체 층
30: 유기 고분자 화합물 층
10: substrate
20: compound semiconductor layer
30: organic high molecular compound layer

Claims (14)

기판;
상기 기판 상에 위치하는 화합물 반도체층; 및
상기 화합물 반도체층 상에 위치하되 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 포함하되,
상기 탄소나노점은 반구형 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극.
Board;
a compound semiconductor layer positioned on the substrate; and
A carbon nano-dot layer positioned on the compound semiconductor layer and including a plurality of carbon nano-dots,
The carbon nano-dots are photoelectrode for water splitting, characterized in that formed in a hemispherical structure.
제1항에 있어서,
상기 화합물 반도체층은 n형 반도체로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극.
According to claim 1,
The compound semiconductor layer is an n-type semiconductor photoelectrode for water splitting, characterized in that it contains at least one compound selected from GaN, GaAs, ZnO, InP and SiC.
제1항에 있어서,
상기 화합물 반도체층의 두께는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극.
According to claim 1,
A photoelectrode for water splitting, characterized in that the thickness of the compound semiconductor layer is 1 μm to 20 μm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소나노점은 평균 직경이 1 nm 내지 100 nm 인 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극.
According to claim 1,
The carbon nanodots have an average diameter of 1 nm to 100 nm, characterized in that the photoelectrode for water splitting.
기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 화합물 반도체층 상에 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계;및
상기 유기 고분자 화합물 층을 탄화하여 복수개의 탄소나노점들을 포함하는 탄소나노점 층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 유기 고분자 혼합물 층을 산화하여 고리화 반응을 유도한 후 화학기상증착(CVD) 장비를 이용한 열처리를 수행하여 상기 유기 고분자 화합물이 탄소나노점으로 탄화되도록 하고, 상기 탄소나노점은 반구형 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
forming a compound semiconductor layer on the substrate;
forming an organic polymer compound layer on the compound semiconductor layer; and
Carbonizing the organic polymer compound layer to form a carbon nanodot layer including a plurality of carbon nanodots,
After oxidizing the organic polymer mixture layer to induce a cyclization reaction, heat treatment using a chemical vapor deposition (CVD) equipment is performed to carbonize the organic polymer compound into carbon nanodots, and the carbon nanodots are formed in a hemispherical structure. Method for manufacturing a photoelectrode for water splitting, characterized in that.
제6항에 있어서,
상기 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 화합물 반도체층은 n형 반도체 물질로서 GaN, GaAs, ZnO, InP 및 SiC 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming a compound semiconductor layer on the substrate,
Wherein the compound semiconductor layer comprises at least one compound selected from GaN, GaAs, ZnO, InP and SiC as an n-type semiconductor material.
제6항에 있어서,
상기 기판 상에 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 화합물 반도체층의 두께는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming a compound semiconductor layer on the substrate,
The method of manufacturing a photoelectrode for water splitting, characterized in that the thickness of the compound semiconductor layer is 1 ㎛ to 20 ㎛.
제6항에 있어서,
상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서,
상기 유기 고분자 화합물 층은 polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA), 및polybenzimidazole (PBI) 에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming the organic polymer compound layer,
The organic polymer compound layer includes at least one selected from polyacrylonitrile (PAN), pitch, cellulose, poly(vinyl alcohol) (PVA), polyimide (PI), poly(amic acid) (PAA), and polybenzimidazole (PBI) Method for manufacturing a photoelectrode for water splitting, characterized in that.
제6항에 있어서,
상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서,
상기 유기 고분자 화합물 층은 다이메틸폼아마이드(DMF)에 유기 고분자 화합물을 투입하여 제조된 유기 고분자 혼합용액을 상기 화합물 반도체층 상에 스핀코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming the organic polymer compound layer,
The organic polymer compound layer is formed by spin-coating an organic polymer mixture solution prepared by adding an organic polymer compound to dimethylformamide (DMF) on the compound semiconductor layer.
제10항에 있어서,
상기 유기 고분자 화합물 층을 형성하는 단계에서,
상기 유기 고분자 혼합용액은 상기 유기 고분자 화합물이 0.01wt% 내지 0.03wt% 함유된 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 10,
In the step of forming the organic polymer compound layer,
The method of manufacturing a photoelectrode for water splitting, characterized in that the organic polymer mixed solution contains 0.01wt% to 0.03wt% of the organic polymer compound.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서,
상기 산화는 150 °C 내지 300 °C 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming the carbon nano-dot layer,
The oxidation is a method for manufacturing a photoelectrode for water splitting, characterized in that heat treatment at a temperature of 150 ° C to 300 ° C.
제6항에 있어서,
상기 탄소나노점 층을 형성하는 단계에서,
상기 탄화는 600 °C 내지 1000 °C 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 물분해용 광전극 제조방법.
According to claim 6,
In the step of forming the carbon nano-dot layer,
The carbonization is a method for manufacturing a photoelectrode for water decomposition, characterized in that heat treatment at a temperature of 600 ° C to 1000 ° C.
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