KR102516637B1 - Organic photoanode and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 광산화극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, ITO(Indium Tin Oxide) 기판; 상기 ITO 기판 상에 형성된 전자수송층; 상기 전자수송층 상에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 형성된 정공수송층; 상기 정공수송층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성되고, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층; 및 상기 액체금속층 상에 형성되고, 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층;을 포함하는, 유기 광산화극을 제공한다.The present invention relates to an organic photo-oxidation electrode and a manufacturing method thereof, and one aspect of the present invention includes an indium tin oxide (ITO) substrate; an electron transport layer formed on the ITO substrate; an organic photoactive layer formed on the electron transport layer; a hole transport layer formed on the organic photoactive layer; a metal layer formed on the hole transport layer; a liquid metal layer formed on the metal layer and containing a gallium-indium eutectic alloy; and a coating layer formed on the liquid metal layer and including a metal double layer hydroxide catalyst.
Description
본 발명은 유기 광산화극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유기 광산화극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광전기화학적 물 분해 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an organic photo-oxidation electrode and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an organic photo-oxidation electrode, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical water splitting system including the same.
광전기화학 물 분해 기술은 무제한 에너지원인 태양광을 사용하고, 이산화탄소를 방출하지 않으므로 가장 유망한 수소 생산 방법 중 하나로 여겨진다.Photoelectrochemical water splitting technology is regarded as one of the most promising hydrogen production methods because it uses sunlight, an unlimited energy source, and does not emit carbon dioxide.
광전극재료는 물에서의 안정성 외에도 상업적으로 사용되기 위해서 10 % 이상의 태양광수소전환효율을 보여야 한다.In addition to stability in water, photoelectrode materials must exhibit a solar hydrogen conversion efficiency of 10% or more to be commercially usable.
유기 반도체는 지구에 존재하는 풍부한 원소 중 하나인 탄소로 구성되어 있으며, 무기물보다 우수한 전하 전달 특성을 나타낸다. 특히, 유기 반도체의 밴드 위치와 밴드 갭은 쉽게 조정되므로 광전기화학 물분해의 이론적 최대 태양광수소전환효율은 30 % 이상이다. 더욱이 유기 광전기화학 물분해 시스템은 밴드 위치 엔지니어링에 의해 바이어스(bias)를 적용하지 않고 작동할 수 있다. 또한 유기 반도체는 증착 순서를 변환하여 광산화극(photoanodes) 및 광환원극(photocathodes)으로 모두 사용할 수 있다.Organic semiconductors are composed of carbon, one of the abundant elements present on Earth, and exhibit superior charge transfer characteristics than inorganic materials. In particular, since the band position and band gap of organic semiconductors are easily tuned, the theoretical maximum solar hydrogen conversion efficiency of photoelectrochemical water splitting is more than 30%. Moreover, the organic photoelectrochemical water splitting system can operate without applying a bias by band position engineering. In addition, organic semiconductors can be used as both photoanodes and photocathodes by changing the deposition order.
이러한 장점에도 불구하고 유기 반도체는 수용액에서 안정성이 낮아 광전기화학 물 분해 시스템의 광활성 물질로 주목받지 못하였다. 이 후, 몇 가지 유기 광활성층 기반의 유기 광산화극이 보고되었으나, 1.23 V vs. RHE(~ 100 μA/cm2)에서 몇 마이크로암페어 규모의 광전류 밀도를 나타냈고, 반쪽 전지 태양광수소전환효울도 0.03 % 보다 낮았으며, 물 속에서 몇 분만에 성능을 잃는 문제점이 발생하였다.Despite these advantages, organic semiconductors have not received attention as photoactive materials for photoelectrochemical water splitting systems due to their low stability in aqueous solutions. After that, several organic photoactive layer-based organic photoactive electrodes were reported, but 1.23 V vs. It showed a photocurrent density of several microamperes at RHE (~ 100 μA/cm 2 ), and the half-cell solar hydrogen conversion efficiency was lower than 0.03%, and there was a problem of losing performance in a few minutes in water.
따라서, 유기 반도체 물질을 물 속에서 효과적으로 활용하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for technology development for effectively utilizing organic semiconductor materials in water.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above background art is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known art disclosed to the general public prior to the present application.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 물 속에서 높은 안정성 및 성능을 확보할 수 있는 유기 광산화극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an organic photo-oxidation electrode capable of securing high stability and performance in water and a manufacturing method thereof.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면은, ITO(Indium Tin Oxide) 기판; 상기 ITO 기판 상에 형성된 전자수송층; 상기 전자수송층 상에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 형성된 정공수송층; 상기 정공수송층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성되고, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층; 및 상기 액체금속층 상에 형성되고, 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층;을 포함하는, 유기 광산화극을 제공한다.One aspect of the present invention, ITO (Indium Tin Oxide) substrate; an electron transport layer formed on the ITO substrate; an organic photoactive layer formed on the electron transport layer; a hole transport layer formed on the organic photoactive layer; a metal layer formed on the hole transport layer; a liquid metal layer formed on the metal layer and containing a gallium-indium eutectic alloy; and a coating layer formed on the liquid metal layer and including a metal double layer hydroxide catalyst.
일 실시형태에 따르면, 상기 전자수송층은, 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 PEDOT:PSS으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electron transport layer may include one or more selected from the group consisting of zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ) and PEDOT:PSS.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]](PTB7), 폴리([2,6′-4,8-디(5-에틸헥실티에닐)벤조[1,2-b;3,3-b]디티오펜]{3-플루오로-2[(2-에틸헥실)카보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일})](PTB7-Th), 폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-알트-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디오네)](PBDB-T), SMD2 공중합체, P(Cl)계 공중합체 및 P(Cl-Cl)계 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전자공여체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer is poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6 -Diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), poly([2,6′-4,8 -Di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4 -b]thiophenedyl})](PTB7-Th), poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2 -b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo [1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione)](PBDB-T), SMD2 copolymer, P(Cl)-based copolymer and P(Cl- Cl) may include an electron donor including at least one selected from the group consisting of copolymers.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 페닐-C61-부틸산메틸에스터(PC61BM), 페닐-C71-부틸산메틸에스터(PC71BM), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(5-헥실티에닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-Th), 2,7-비스(3-디시아노메틸렌-2Z-메틸렌-인단-1-온)-4,4,9,9-테트라헥실-4,9-디히드로-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(IDIC) 및 3,9-비스(2-메틸렌-((3-(1,1-디시아노메틸렌)-6,7-디플루오로)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-4F)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전자수용체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer, phenyl-C 61 -butyrate methyl ester (PC 61 BM), phenyl-C 71 -butyrate methyl ester (PC 71 BM), 3,9-bis (2- Methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2', 3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (ITIC), 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicy) Anomethylene) -indanone)) -5,5,11,11-tetrakis (5-hexylthienyl) -dithieno [2,3-d: 2', 3'-d'] -s-indane Seno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (ITIC-Th), 2,7-bis(3-dicyanomethylene-2Z-methylene-indan-1-one)-4,4, 9,9-tetrahexyl-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (IDIC) and 3,9-bis(2-methylene-(( 3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3 -d: 2', 3'-d'] -s-indaceno [1,2-b: 5,6-b'] electron containing at least one selected from the group consisting of dithiophene (ITIC-4F) It may contain a receptor.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 전자공여체 및 전자수용체의 벌크이종접합구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer may include a bulk heterojunction structure of an electron donor and an electron acceptor.
일 실시형태에 따르면, 상기 정공수송층은, 산화 몰리브덴(MoO3), 오산화바나듐(V2O5) 및 산화 텅스텐(WO3) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the hole transport layer may include one or more selected from the group consisting of molybdenum oxide (MoO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and tungsten oxide (WO 3 ).
일 실시형태에 따르면, 상기 금속층은, 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal layer may include one or more selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al).
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 니켈, 철, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may include one or more metals selected from the group consisting of nickel, iron, platinum, and alloys thereof.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 금속 포일(foil) 상에 합성된 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may be synthesized on a metal foil.
일 실시형태에 따르면, 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)은, 4.3 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) may be 4.3% or more.
본 발명의 또 다른 측면은, ITO(Indium Tin Oxide) 기판 상에, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 금속층이 순차적으로 적층된, 유기태양전지 구조의 디바이스를 준비하는 단계; 상기 디바이스에 은 페이스트 및 에폭시를 사용하여 구리 와이어를 접합시키는 단계; 상기 디바이스의 금속층 상에 갈륨-인듐 공융합금을 적층하여 액체금속층을 형성시키는 단계; 및 상기 액체금속층 상에 니켈 포일 상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물을 적층하여 피막층을 형성시키는 단계;를 포함하는, 유기 광산화극의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, preparing a device of an organic solar cell structure in which an electron transport layer, an organic photoactive layer, a hole transport layer and a metal layer are sequentially stacked on an indium tin oxide (ITO) substrate; bonding a copper wire to the device using silver paste and epoxy; forming a liquid metal layer by depositing a gallium-indium eutectic alloy on the metal layer of the device; and forming a film layer by laminating a nickel-iron double layer hydroxide synthesized on a nickel foil on the liquid metal layer.
일 실시형태에 따르면, 상기 니켈-철 이중층수산화물은, 수열법에 의해 합성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the nickel-iron double layer hydroxide may be synthesized by a hydrothermal method.
일 실시형태에 따르면, 상기 니켈 포일상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물은,According to one embodiment, the nickel-iron double layer hydroxide synthesized on the nickel foil,
Ni(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)3·9H2O및 우레아를 초순수에 용해한 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액 및 니켈 포일을 오토클레이브 내부에 배치하고 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 10 시간 내지 20 시간 동안 놓아둔 후, 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것일 수 있다.preparing a mixed solution in which Ni(NO 3 ) 2· 6H 2 O, Fe(NO 3 ) 3· 9H 2 O, and urea were dissolved in ultrapure water; and disposing the mixed solution and the nickel foil in an autoclave, placing them at a temperature of 100 ° C to 150 ° C for 10 hours to 20 hours, and then cooling them to room temperature.
일 실시형태에 따르면, 상기 피막층을 형성시키는 단계 이후에, 에폭시로 캡슐화하고, 건조하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, after the step of forming the coating layer, the step of encapsulating with epoxy and drying; may be to further include.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 유기 광산화극 또는 상기 제조방법으로 제조된 유기 광산화극을 포함하는, 광 전기화학적 물 분해 시스템을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a photo-electrochemical water splitting system including the organic photo-oxidation electrode or the organic photo-oxidation electrode manufactured by the above manufacturing method.
본 발명의 다른 측면은, 상기 물 분해 시스템을 사용한 수소 생산방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for producing hydrogen using the water splitting system.
본 발명에 따른 유기 광산화극은, 본 발명에 따른 유기 광산화극은, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층 및 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층을 포함하여 유기 반도체 물질을 캡슐화함으로써, 물 속에서 유기 반도체물질을 보호하여 높은 안정성을 보일 뿐만 아니라, 금속 이중층수산화물이 산소반응 촉매로 작용하여 표면에서 효율적으로 물 산화반응을 유도함으로써 높은 성능을 나타내는 효과가 있다.The organic photo-oxidation electrode according to the present invention encapsulates an organic semiconductor material by including a liquid metal layer containing a gallium-indium eutectic alloy and a film layer containing a metal double-layer hydroxide catalyst, so that the organic photo-oxidation electrode is submerged in water. Not only does it show high stability by protecting the organic semiconductor material, but the metal double layer hydroxide acts as an oxygen reaction catalyst to efficiently induce a water oxidation reaction on the surface, thereby exhibiting high performance.
또한, 기존에 사용되던 금속 산화물 기반 광전극의 최고 성능과 비교하여 2배 이상의 수소 발생 효율을 나타내는 효과가 있으며, 대면적 제조가 가능한 장점이 있다.In addition, compared to the highest performance of a metal oxide-based photoelectrode that has been used in the past, it has an effect of exhibiting a hydrogen generation efficiency more than twice as high, and has the advantage of being able to manufacture a large area.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극을 사용한 광전기화학적 물 분해 시스템의 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극 구조의 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극의 제조 방법에 관한 모식도이다.
도 4는, 실시예(LDH/Ni/eu@nfOP) 및 비교예(nfOP)의 전류 밀도-전위 곡선이다.
도 5는, 2 전극 구성에서 측정된 실시예의 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)을 보여주는 그래프이다.
도 6은, AM 1.5 G 조명 (100 mW/cm2) 하에서 1.3V vs. RHE, 1M NaOH 전해질 (pH 13.6)에서 실시예(LDH/Ni/eu@nfOP) 및 비교예(nfOP)의 크로노암페로메트리(Chronoamperometry)측정 결과이다.
도 7은, 실시예의 유기 광산화극을 사용한 물 분해 반응의 경우, 15.4 mA/cm2 (약 1.3V vs. RHE)에서 광전기 화학적 H2 및 O2 생산 및 H2/O2 비율에 대한 패러데이 효율을 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a photoelectrochemical water splitting system using an organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of an organic photo-oxidation electrode structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of a method for manufacturing an organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention.
4 is current density-potential curves of Examples (LDH/Ni/eu@nfOP) and Comparative Examples (nfOP).
5 is a graph showing half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) of an embodiment measured in a two-electrode configuration.
6 shows 1.3V vs. AM 1.5 G illumination (100 mW/cm 2 ). These are the results of chronoamperometry measurement of Examples (LDH/Ni/eu@nfOP) and Comparative Example (nfOP) in RHE and 1M NaOH electrolyte (pH 13.6).
7 is a Faraday efficiency for photoelectrochemical H 2 and O 2 production and H 2 /O 2 ratio at 15.4 mA/cm 2 (about 1.3 V vs. RHE) in the case of water decomposition using an organic photo-oxidation electrode of Example. is shown.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes can be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents or substitutes to the embodiments are included within the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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 the examples are used only for descriptive purposes and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description will be omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element may be directly connected or connected to the other element, but there may be another element between the elements. It should be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed descriptions will be omitted to the extent of overlap.
본 발명의 일 측면은, ITO(Indium Tin Oxide) 기판; 상기 ITO 기판 상에 형성된 전자수송층; 상기 전자수송층 상에 형성된 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 형성된 정공수송층; 상기 정공수송층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성되고, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층; 및 상기 액체금속층 상에 형성되고, 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층;을 포함하는, 유기 광산화극을 제공한다.One aspect of the present invention, ITO (Indium Tin Oxide) substrate; an electron transport layer formed on the ITO substrate; an organic photoactive layer formed on the electron transport layer; a hole transport layer formed on the organic photoactive layer; a metal layer formed on the hole transport layer; a liquid metal layer formed on the metal layer and containing a gallium-indium eutectic alloy; and a coating layer formed on the liquid metal layer and including a metal double layer hydroxide catalyst.
본 발명에 따른 유기 광산화극은, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층 및 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층을 포함하여 유기 반도체 물질을 캡슐화함으로써, 물 속에서 유기 반도체물질을 보호하여 높은 안정성을 보일 뿐만 아니라, 금속 이중층수산화물이 산소반응 촉매로 작용하여 표면에서 효율적으로 물 산화반응을 유도함으로써 높은 성능을 나타내는 효과가 있다.The organic photo-oxidation electrode according to the present invention includes a liquid metal layer containing a gallium-indium eutectic alloy and a film layer containing a metal double layer hydroxide catalyst to encapsulate the organic semiconductor material, thereby protecting the organic semiconductor material in water and exhibiting high stability. In addition to being visible, the metal double layer hydroxide acts as an oxygen reaction catalyst to efficiently induce a water oxidation reaction on the surface, thereby exhibiting high performance.
일 실시형태에 따르면, 상기 전자수송층은, 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 PEDOT:PSS으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electron transport layer may include one or more selected from the group consisting of zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ) and PEDOT:PSS.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 유기 반도체 물질을 포함하는 것으로, 전자공여체 및 전자수용체를 포함한다.According to one embodiment, the organic photoactive layer includes an organic semiconductor material for generating charged particles by absorbing sunlight energy, and includes an electron donor and an electron acceptor.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실)옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6-디일][3-플루오로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일]](PTB7), 폴리([2,6′-4,8-디(5-에틸헥실티에닐)벤조[1,2-b;3,3-b]디티오펜]{3-플루오로-2[(2-에틸헥실)카보닐]티에노[3,4-b]티오펜디일})](PTB7-Th), 폴리[(2,6-(4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티오펜-2-일)-벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜))-알트-(5,5-(1',3'-디-2-티에닐-5',7'-비스(2-에틸헥실)벤조[1',2'-c:4',5'-c']디티오펜-4,8-디오네)](PBDB-T), SMD2 공중합체, P(Cl)계 공중합체 및 P(Cl-Cl)계 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전자공여체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer is poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6 -Diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), poly([2,6′-4,8 -Di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4 -b]thiophenedyl})](PTB7-Th), poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2 -b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-di-2-thienyl-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo [1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione)](PBDB-T), SMD2 copolymer, P(Cl)-based copolymer and P(Cl- Cl) may include an electron donor including at least one selected from the group consisting of copolymers.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 페닐-C61-부틸산메틸에스터(PC61BM), 페닐-C71-부틸산메틸에스터(PC71BM), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(5-헥실티에닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-Th), 2,7-비스(3-디시아노메틸렌-2Z-메틸렌-인단-1-온)-4,4,9,9-테트라헥실-4,9-디히드로-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(IDIC) 및 3,9-비스(2-메틸렌-((3-(1,1-디시아노메틸렌)-6,7-디플루오로)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-4F)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전자수용체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer, phenyl-C 61 -butyrate methyl ester (PC 61 BM), phenyl-C 71 -butyrate methyl ester (PC 71 BM), 3,9-bis (2- Methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2', 3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (ITIC), 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicy) Anomethylene) -indanone)) -5,5,11,11-tetrakis (5-hexylthienyl) -dithieno [2,3-d: 2', 3'-d'] -s-indane Seno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (ITIC-Th), 2,7-bis(3-dicyanomethylene-2Z-methylene-indan-1-one)-4,4, 9,9-tetrahexyl-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (IDIC) and 3,9-bis(2-methylene-(( 3-(1,1-dicyanomethylene)-6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3 -d: 2', 3'-d'] -s-indaceno [1,2-b: 5,6-b'] electron containing at least one selected from the group consisting of dithiophene (ITIC-4F) It may contain a receptor.
상기 전자공여체 및 상기 전자수용체는, 다양하게 조합될 수 있고, 이를 통해 전압을 자유자재로 조절할 수 있다. 또한, 넓은 태양광 흡수 스펙트럼을 가질 수 있어 태양 에너지 활용에도 큰 장점을 갖는다.The electron donor and the electron acceptor may be combined in various ways, through which the voltage can be freely adjusted. In addition, since it can have a wide solar absorption spectrum, it has a great advantage in solar energy utilization.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광활성층은, 전자공여체 및 전자수용체의 벌크이종접합구조를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photoactive layer may include a bulk heterojunction structure of an electron donor and an electron acceptor.
상기 벌크이종접합구조는, 서로 다른 성분을 갖는 벌크 단위의 물질 간의 접합을 의미한다.The bulk heterojunction structure means a junction between bulk unit materials having different components.
일 실시형태에 따르면, 상기 정공수송층은, 산화 몰리브덴(MoO3), 오산화바나듐(V2O5) 및 산화 텅스텐(WO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the hole transport layer may include one or more selected from the group consisting of molybdenum oxide (MoO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and tungsten oxide (WO 3 ).
일 실시형태에 따르면, 상기 금속층은, 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal layer may include one or more selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al).
상기 금속층은, 전하의 결집을 위한 것이다.The metal layer is for charge collection.
상기 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층은, 전하의 효율적인 이동을 돕는 핵심적인 역할을 수행하며, 유기 반도체 물질을 캡슐화한다.The liquid metal layer including the gallium-indium eutectic alloy plays a key role in assisting the efficient transfer of charges and encapsulates the organic semiconductor material.
즉, 상기 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층은, 유기 광활성층과 표면 물 산화 금속 촉매사이의 유연한 커넥터로 작용하여 전하의 흐름을 막지 않는다.That is, the liquid metal layer including the gallium-indium eutectic alloy acts as a flexible connector between the organic photoactive layer and the surface water metal oxide catalyst and does not block the flow of electric charges.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 니켈, 철, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may include one or more metals selected from the group consisting of nickel, iron, platinum, and alloys thereof.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 니켈-철 이중층수산화물 또는 니켈-코발트 이중층 수산화물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may include nickel-iron double layer hydroxide or nickel-cobalt double layer hydroxide.
상기 금속 이중층수산화물은, 유기 반도체 물질을 물로부터 보호함과 동시에, 표면에서 전하 분리 효율을 극대화하여 태양광으로부터 생성된 정공을 물 산화반응에 이용하는 표면 촉매로 작용할 수 있다.The metal double layer hydroxide can act as a surface catalyst that protects the organic semiconductor material from water and maximizes charge separation efficiency on the surface to use holes generated from sunlight for a water oxidation reaction.
상기 이중층수산화물의 구조는, 양전하를 띈 브루사이트(brucite) 구조의 수산화물층과 층간 음이온으로 구성되며, 양이온 금속이 원자단위로 산재되어 있어 수산화물층으로부터 분리가 일어나지 않는다.The structure of the double-layered hydroxide is composed of a positively charged brucite-structured hydroxide layer and an interlayer anion, and since cationic metals are scattered in atomic units, separation from the hydroxide layer does not occur.
따라서, 이러한 이중층수산화물 구조로 촉매를 합성하면 금속이온이 균일하게 분포되어 있는 촉매합성이 가능하다.Therefore, when synthesizing a catalyst with such a double-layer hydroxide structure, it is possible to synthesize a catalyst in which metal ions are uniformly distributed.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 금속 포일(foil) 상에 합성된 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may be synthesized on a metal foil.
상기 금속 포일은, 물이 유기 반도체와 직접적으로 반응하는 것을 막을 수 있으며, 물의 침입을 완벽하게 차단하는 역할을 한다. The metal foil can prevent water from directly reacting with the organic semiconductor, and serves to completely block the intrusion of water.
즉, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 표면 촉매로 작용하여 산소발생 반응을 효과적으로 촉진할 수 있으며, 금속 포일 상에 합성됨으로써 촉매 효과를 향상시킬 수 있다.That is, the metal double layer hydroxide catalyst can effectively promote an oxygen generation reaction by acting as a surface catalyst, and can improve a catalytic effect by being synthesized on a metal foil.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 포일은, 10 ㎛ 내지 1,000 ㎛인 것일 수 있고, 바람직하게는, 50 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 80 ㎛ 내지 200 ㎛인 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal foil may be 10 μm to 1,000 μm, preferably, 50 μm to 500 μm, and more preferably, 80 μm to 200 μm.
상기 금속 포일의 두께가 상기 범위 미만일 경우, 물의 차단 효과가 저하될 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우 전하 입자 흐름 속도가 저하될 수 있다.When the thickness of the metal foil is less than the above range, the water blocking effect may be reduced, and when the thickness of the metal foil exceeds the above range, the flow rate of charged particles may be reduced.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 포일은, 니켈 포일을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the metal foil may include a nickel foil.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속 이중층수산화물 촉매는, 3D 다공성 구조를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the metal double layer hydroxide catalyst may include a 3D porous structure.
일 실시형태에 따르면, 상기 피막층은, 니켈 포일 상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the film layer may include a nickel-iron double layer hydroxide synthesized on a nickel foil.
상기 니켈은, 알칼리 전해질에서 OER 촉매로 작용할 수 있으며, 특히, 니켈-철 이중층수산화물은 알칼리 환경에서 가장 효과적인 OER 촉매이다.The nickel may act as an OER catalyst in an alkaline electrolyte, and in particular, nickel-iron double layer hydroxide is the most effective OER catalyst in an alkaline environment.
상기 니켈-철 이중층수산화물은, 니켈과 철 사이에 시너지 작용을 통해, 니켈(Ni) 또는 철(Fe) 개별 성분 보다 촉매 활성이 향상되는 효과가 있다.The nickel-iron double layer hydroxide has an effect of improving catalytic activity compared to individual components of nickel (Ni) or iron (Fe) through a synergistic action between nickel and iron.
또한, 상기 니켈-철 이중층수산화물은, 금속 포일(foil) 상에서 쉽게 합성될 수 있다.In addition, the nickel-iron double layer hydroxide can be easily synthesized on a metal foil.
상기 니켈-철 이중층수산화물은, 유기 반도체 물질을 물로부터 보호함과 동시에, 태양광으로부터 생성된 정공을 이용하여 표면에서 물 산화반응(OER)에 기여하는 표면 촉매로 작용할 수 있다.The nickel-iron double layer hydroxide may act as a surface catalyst contributing to water oxidation reaction (OER) on the surface using holes generated from sunlight while protecting the organic semiconductor material from water.
상기 피막층은, 전하 분리 효율을 극대화할 수 있고, 표면에 도달하는 정공에 의한 유기 광활성층의 광 부식을 억제할 수 있다.The coating layer can maximize charge separation efficiency and suppress photocorrosion of the organic photoactive layer due to holes reaching the surface.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광산화극은, 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)은, 4.3 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photo-oxidation electrode may have a half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) of 4.3% or more.
상기 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)은 하기 식에 의해 계산된 것일 수 있다.The half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) may be calculated by the following equation.
[식][ceremony]
여기서, Vapp 및 Jop는 각각, 2 전극 구성에서 적용된 외부 바이어스 전압 대 상대 전극(Pt) 및 1 개의 태양 조명 하에서 광 전극의 광전류 밀도이다. Pin 은, 조명의 전력밀도(100 mW/cm2)이다. where Vapp and Jop are the photocurrent density of the counter electrode (Pt) and the photoelectrode under one sun illumination versus the applied external bias voltage in a two-electrode configuration, respectively. P in is the power density of illumination (100 mW/cm 2 ).
본 발명에 따른 유기 광산화극은, 0.82 V vs. Pt에서 4.3 % 이상의 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)을 나타냄으로써, 알려진 광산화극 중 가장 높은 값을 갖는 특징이 있다. The organic photo-oxidation electrode according to the present invention, 0.82 V vs. By showing a half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) of 4.3% or more in Pt, it has the highest value among known photo-anodes.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광산화극은, AM 1.5G 조명에서 0.55 V(vs. RHE)의 개시전압을 갖는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photo-oxidation electrode may have a starting voltage of 0.55 V (vs. RHE) under AM 1.5G lighting.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기 광산화극은, AM 1.5G 조명 및 1.23 V(vs. RHE)에서, 광 전류밀도가 15 mA/cm2 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic photo-oxidation electrode may have a light current density of 15 mA/cm 2 or more under AM 1.5G illumination and 1.23 V (vs. RHE).
본 발명의 또 다른 측면은, ITO(Indium Tin Oxide) 기판 상에, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 금속층이 순차적으로 적층된, 유기태양전지 구조의 디바이스를 준비하는 단계; 상기 디바이스에 은 페이스트 및 에폭시를 사용하여 구리 와이어를 접합시키는 단계; 상기 디바이스의 금속층 상에 갈륨-인듐 공융합금을 적층하여 액체금속층을 형성시키는 단계; 및 상기 액체금속층 상에 니켈 포일 상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물을 적층하여 피막층을 형성시키는 단계;를 포함하는, 유기 광산화극의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention, preparing a device of an organic solar cell structure in which an electron transport layer, an organic photoactive layer, a hole transport layer and a metal layer are sequentially stacked on an indium tin oxide (ITO) substrate; bonding a copper wire to the device using silver paste and epoxy; forming a liquid metal layer by depositing a gallium-indium eutectic alloy on the metal layer of the device; and forming a film layer by laminating a nickel-iron double layer hydroxide synthesized on a nickel foil on the liquid metal layer.
일례로, 상기 금속층은, 스퍼터링, 물리적 기상 층착 방법에 의해 증착될 수 있다.For example, the metal layer may be deposited by sputtering or physical vapor deposition.
일 실시형태에 따르면, 상기 니켈-철 이중층수산화물은, 수열법에 의해 합성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the nickel-iron double layer hydroxide may be synthesized by a hydrothermal method.
일 실시형태에 따르면, 상기 니켈 포일상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물은,According to one embodiment, the nickel-iron double layer hydroxide synthesized on the nickel foil,
Ni(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)3·9H2O및 우레아를 초순수에 용해한 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액 및 니켈 포일을 오토클레이브 내부에 배치하고 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 10 시간 내지 20 시간 동안 놓아둔 후, 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것일 수 있다.preparing a mixed solution in which Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O, and urea are dissolved in ultrapure water; and disposing the mixed solution and the nickel foil in an autoclave, placing them at a temperature of 100 ° C to 150 ° C for 10 hours to 20 hours, and then cooling them to room temperature.
일 실시형태에 따르면, 상기 피막층을 형성시키는 단계 이후에, 에폭시로 캡슐화하고, 건조하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, after the step of forming the coating layer, the step of encapsulating with epoxy and drying; may be to further include.
상기 에폭시로의 캡슐화는 물의 침입으로부터 보호하기 위해 수행될 수 있다.Encapsulation with the epoxy may be performed to protect against ingress of water.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 유기 광산화극 또는 상기 제조방법으로 제조된 유기 광산화극을 포함하는, 광 전기화학적 물 분해 시스템을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a photo-electrochemical water splitting system including the organic photo-oxidation electrode or the organic photo-oxidation electrode manufactured by the above manufacturing method.
일 실시형태에 따르면, 상기 광 전기화학적 물 분해 시스템은, 수중에서 작동하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the photoelectrochemical water splitting system may operate underwater.
종래, 유기 반도체 물질의 경우 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 성능은 뛰어나지만, 물에 대한 안정성이 좋지 못해 물 속에서 광 전기화학적 물 분해에 이용하기에는 어려움이 있었다.Conventionally, in the case of organic semiconductor materials, they are excellent in absorbing sunlight and generating electrons and holes, but have poor stability in water, making it difficult to use them for photoelectrochemical water splitting in water.
본 발명에 따른 광 전기화학적 물 분해 시스템은, 유기 반도체 물질을 캡슐화한 구조의 유기 광산화극을 사용함으로써, 수중에서 작동이 가능할 뿐만 아니라 성능 및 물에 대한 안정성이 우수한 효과가 있다.The photo-electrochemical water splitting system according to the present invention uses an organic photo-oxidation electrode encapsulated with an organic semiconductor material, so that it can operate in water and has excellent performance and stability against water.
본 발명의 다른 측면은, 상기 물 분해 시스템을 사용한 수소 생산방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for producing hydrogen using the water splitting system.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극을 사용한 광전기화학적 물 분해 시스템의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a photoelectrochemical water splitting system using an organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 물에 불안정한 유기 반도체물질을 물속에서 광 전기화학적 물 분해에 이용하기 위해, 니켈 포일 위에 니켈-철 이중층수산화물을 합성하여 전하 이동을 위한 갈륨-인듐 공융합금과 함께 캡슐화된 구조를 이루는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 1, in order to use water-unstable organic semiconductor materials for photoelectrochemical water splitting in water, nickel-iron double layer hydroxide is synthesized on nickel foil and encapsulated with gallium-indium eutectic alloy for charge transfer. It can be confirmed that
이러한 구조는, 유기반도체물질을 물로부터 보호할 뿐만 아니라 표면에서 효율적인 물 산화반응을 유도하여 높은 성능과 안정성을 보인다.This structure not only protects the organic semiconductor material from water, but also induces an efficient water oxidation reaction on the surface to show high performance and stability.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예> 유기 광활성층 기반 광산화극의 제조<Example> Preparation of photoanode based on organic photoactive layer
1) 유기태양전지 구조의 디바이스 제조(OPV)1) Manufacturing organic solar cell device (OPV)
먼저 ITO(Indium tin oxide) 위에 전자수송층으로 ZnO, PBDB-T와 ITIC의 이종접합구조 (bulk heterojunction, BHJ)로 이루어진 유기 광활성층, 정공수송층으로 MoO3와 전하 결집을 위한 금(Ag) 층을 형성하여 기본적인 유기 태양전지 구조의 디바이스를 제작하였다.First, an organic photoactive layer consisting of ZnO, PBDB-T, and ITIC bulk heterojunction (BHJ) as an electron transport layer on ITO (Indium tin oxide), MoO 3 as a hole transport layer, and a gold (Ag) layer for charge collection. A device with a basic organic solar cell structure was fabricated.
구체적으로, 패턴화된 ITO 유리 기판(15 Ω-1, 1.5 × 1.5 cm2)을 세제, 증류수, 아세톤 및 이소 프로필 알코올로 초음파 처리하여 세척한 다음, 70 ℃의 오븐에서 밤새 건조하였다. ZnO 전구체 용액은 아세트산 아연 이수화 물(Aldrich, 99.999 %) 0.2 g과 에탄올 아민(Aldrich, 98 %) 0.055 ml를 2-메톡시에탄올(Aldrich, 99.8 %) 2 ml에 녹여 준비하였다.Specifically, the patterned ITO glass substrate (15 Ω -1 , 1.5 × 1.5 cm 2 ) was cleaned by ultrasonic treatment with detergent, distilled water, acetone and isopropyl alcohol, and then dried in an oven at 70 °C overnight. The ZnO precursor solution was prepared by dissolving 0.2 g of zinc acetate dihydrate (Aldrich, 99.999%) and 0.055 ml of ethanolamine (Aldrich, 98%) in 2 ml of 2-methoxyethanol (Aldrich, 99.8%).
세척된 ITO를 산소 플라즈마로 5 분 동안 처리하고 ZnO 전구체를 3000 rpm에서 ITO 표면에 스핀 코팅하였다. 공기 중 200 ℃에서 60 분 동안 베이킹한 후 ZnO 코팅된 기판을 질소로 채워진 글러브 박스로 옮겼다.The washed ITO was treated with oxygen plasma for 5 minutes and a ZnO precursor was spin-coated on the ITO surface at 3000 rpm. After baking at 200 °C for 60 min in air, the ZnO-coated substrates were transferred to a nitrogen-filled glove box.
PBDB-T : ITIC (1 : 1 w/w)의 혼합 용액을 클로로 벤젠 중 10 mg/ml의 농도로 준비하였다. 최적의 형태를 위해 1,8-다이오도옥탄 첨가제는 0.5 vol%의 v/v 비율로 첨가되었다.A mixed solution of PBDB-T:ITIC (1:1 w/w) was prepared at a concentration of 10 mg/ml in chlorobenzene. For optimal morphology, the 1,8-diodoctane additive was added at a v/v ratio of 0.5 vol%.
ITIC와의 블렌드에 대해 각각 100 ℃ 및 150 ℃에서 10 분 동안 어닐링 처리를 수행했다. 마지막으로, 10nm 두께의 MoO3 및 100 nm 두께의 금 필름(활성 영역 : 0.5 cm2)을 진공(<0.5 × 10-5 Pa)하에서 열 증착하였다.An annealing treatment was performed at 100 °C and 150 °C for 10 min, respectively, for the blend with ITIC. Finally, 10 nm thick MoO 3 and 100 nm thick gold film (active area: 0.5 cm 2 ) were thermally deposited under vacuum (<0.5 × 10 -5 Pa).
2) 유기 광산화극의 제조2) Preparation of organic photo-oxidation electrode
NiFe-LDH는 수열법을 사용하여 합성되었다. 먼저, 0.3 g Ni(NO3)2·6H2O(Aldrich, 99.99 %), 0.36g Fe(NO3)3·9H2O(Aldrich, 98 %) 및 0.3 g 요소(Aldrich, 99 %)를 80 ml 탈 이온수에 용해시켜 수용액을 제조하였다.NiFe-LDH was synthesized using a hydrothermal method. First, 0.3 g Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O (Aldrich, 99.99 %), 0.36 g Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O (Aldrich, 98 %) and 0.3 g urea (Aldrich, 99 %) were mixed. An aqueous solution was prepared by dissolving in 80 ml deionized water.
니켈 포일(Alfa Aesar, 99.5 %, 100 μm 두께)은 아세톤, 이소프로필 알코올 및 에탄올에서 각각 3 분 동안 초음파 처리하여 세척했다.Nickel foil (Alfa Aesar, 99.5%, 100 μm thick) was cleaned by sonication in acetone, isopropyl alcohol and ethanol for 3 min each.
수용액과 니켈 포일을 100 ml 테플론-라이닝 오토 클레이브로 옮기고 120 ℃에서 12 시간 동안 방치한 다음 실온으로 냉각시켰다. 냉각된 포일을 탈 이온수로 세척하고 60 ℃에서 밤새 건조시켰다.The aqueous solution and nickel foil were transferred to a 100 ml Teflon-lined autoclave and left at 120° C. for 12 hours and then cooled to room temperature. The cooled foil was washed with deionized water and dried overnight at 60 °C.
은 페이스트와 에폭시를 사용하여 준비된 OPV에 구리 와이어를 연결한 후 NiFe-LDH/Ni 포일은 갈륨-인듐(GaIN) 공융합금(Aldrich, 99.99 %)과 함께 전극에 로드하였다. 마지막으로 에폭시 결합을 적용하여 전극을 고정 및 캡슐화하고 실온에서 밤새 건조시켰다(활성 면적 : 0.5 cm2).After connecting copper wires to the prepared OPV using silver paste and epoxy, NiFe-LDH/Ni foils were loaded onto the electrodes together with gallium-indium (GaIN) eutectic alloy (Aldrich, 99.99%). Finally, an epoxy bond was applied to fix and encapsulate the electrode, and it was dried overnight at room temperature (active area: 0.5 cm 2 ).
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극 구조의 모식도이다.2 is a schematic diagram of an organic photo-oxidation electrode structure according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극은, ITO 기판, 전자수송층(ZnO), 유기 광활성층(BHJ), 정공수송층(MoO3), 금속층(Au), 갈륨-인듐 공융합금층, 니켈-철 이중층수산화물층으로 구성되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , an organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention includes an ITO substrate, an electron transport layer (ZnO), an organic photoactive layer (BHJ), a hole transport layer (MoO 3 ), a metal layer (Au), and gallium-indium It can be confirmed that it is composed of a eutectic alloy layer and a nickel-iron double layer hydroxide layer.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극의 제조 방법에 관한 모식도이다.3 is a schematic view of a method for manufacturing an organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극은, 유기태양전지 구조의 디바이스를 제작한 후, 은 페이스트와 에폭시를 이용하여 구리 와이어를 접합하고, 갈륨-인듐 공융합금과 니켈 포일 위에 합성한 NiFe LDH 촉매(NiFe LDH-Ni foil)를 이용하여 캡슐화하여 제조됨을 이해할 수 있다.Referring to FIG. 3, in the organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention, after fabricating a device having an organic solar cell structure, copper wires are bonded using silver paste and epoxy, and gallium-indium eutectic alloy and nickel It can be understood that it is prepared by encapsulation using a NiFe LDH catalyst (NiFe LDH-Ni foil) synthesized on a foil.
<비교예> 유기 광활성층 기반 광산화극의 제조<Comparative Example> Preparation of organic photoactive layer-based photoanode
갈륨-인듐 공융합금층 및 니켈-철 이중층수산화물층에 의해 캡슐화하지 않은 것을 제외하고 실시예와 동일한 방식으로 제조된 유기 광산화극을 준비하였다.An organic photo-oxidation electrode was prepared in the same manner as in the Example, except that it was not encapsulated by the gallium-indium eutectic alloy layer and the nickel-iron double layer hydroxide.
<실험예 1> 유기 광산화극의 성능 측정<Experimental Example 1> Performance measurement of organic photo-oxidation electrode
실시예 및 비교예의 광전기화학적 성능을 하기와 같은 방식으로 측정하였다. 일반적으로 3 전극 시스템은 Hg/HgO 기준 전극(RE-61AP, ALS), Pt 와이어 카운터 전극 및 Ivium-n-Stat 단일 채널 전위차를 사용하여 광전기화학적 성능을 측정하였다.The photoelectrochemical performances of Examples and Comparative Examples were measured in the following manner. In general, a three-electrode system was used to measure photoelectrochemical performance using a Hg/HgO reference electrode (RE-61AP, ALS), a Pt wire counter electrode, and an Ivium-n-Stat single-channel potentiometer.
실시예(LDH/Ni/eu@nfOP) 및 비교예(nfOP)의 linear sweep voltammetry는 1 M NaOH(Alfa Aesar, 98 %) 전해질(pH 13.6)에서 0.123 ~ 1.923V vs. RHE (scan rate=1 mV/s)에서 Ar가스 퍼징되면서 측정되었다.The linear sweep voltammetry of Examples (LDH/Ni/eu@nfOP) and Comparative Example (nfOP) was 0.123 to 1.923V vs. 1 M NaOH (Alfa Aesar, 98%) electrolyte (pH 13.6). Measured while purging Ar gas at RHE (scan rate = 1 mV/s).
상기 알칼리 전해질에서 Ni 금속의 표면은 OER 촉매인 Ni(OH)2/NiOOH 로 변환된다.In the alkaline electrolyte, the surface of Ni metal is converted to Ni(OH) 2 /NiOOH as an OER catalyst.
유기 광산화극의 광 흡수기 크기는 0.5 cm2이었고, 빛은 공기 질량 1.5 전역 (AM 1.5 G) 필터, 콜리 메이팅 렌즈 및 적외선 필터(물)가 있는 300 W Xe 아크 램프 (Newport, 66902)로 조명되었다.The light absorber size of the organic photoanode was 0.5 cm 2 and the light was illuminated by a 300 W Xe arc lamp (Newport, 66902) with an air mass 1.5 global (AM 1.5 G) filter, a collimating lens and an infrared filter (water). .
측정된 전위 vs. Hg/HgO 기준 전극에서 전위vs. RHE 로의 전위 변환은 아래 방정식에 의해 수행되었다.Measured Potential vs. Potential vs. Hg/HgO reference electrode. Potential conversion to RHE was performed by the equation below.
도 4는, 실시예(LDH/Ni/eu@nfOP) 및 비교예(nfOP)의 전류 밀도-전위 곡선이다.4 is current density-potential curves of Examples (LDH/Ni/eu@nfOP) and Comparative Examples (nfOP).
도 4를 참조하면, 산소발생 촉매(니켈-철 이중층수산화물/니켈 포일)와 갈륨-인듐 공융합금을 이용하여 캡슐화하진 않은 유기 광 산화극의 경우(비교예, nfOP), 물 산화 전위인 1.23 V vs. RHE에서 광 전류가 거의 생성되지 않음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, in the case of an organic light anode not encapsulated using an oxygen generating catalyst (nickel-iron double layer hydroxide/nickel foil) and a gallium-indium eutectic alloy (comparative example, nfOP), the water oxidation potential of 1.23 V vs. It can be seen that almost no photocurrent is generated in RHE.
이와 비교하여, 실시예의 경우(LDH/Ni/eu@nfOP), 0.55 V vs. RHE의 개시 전압과 물 산화전위에서 15.1 mA/cm2의 높은 광 전류밀도를 보이는 것을 확인할 수 있다.In comparison, in the case of Example (LDH/Ni/eu@nfOP), 0.55 V vs. It can be seen that a high photocurrent density of 15.1 mA/cm 2 was exhibited at the onset voltage of RHE and the oxidation potential of water.
도 5는, 2 전극 구성에서 측정된 실시예의 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)을 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) of an embodiment measured in a two-electrode configuration.
도 5를 참조하면, 실시예 유기 광산화극의 반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)은 4.33 % 임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) of the organic photo-oxidation electrode of Example is 4.33%.
이는 이전에 발표되었던 광산화극 중 가장 높은 효율로, 본 발명에 따른 유기 광산화극의 구조는 유기 반도체물질의 수중 물 분해 반응에 효과적임을 입증하는 것이다.This is the highest efficiency among previously announced photoanodes, and it proves that the structure of the organic photoanode according to the present invention is effective in water decomposition of organic semiconductor materials.
<실험예 2> 유기 광산화극의 안정성 및 광 전기화학적 물 분해 효율 검증<Experimental Example 2> Verification of stability and photoelectrochemical water decomposition efficiency of organic photoanode
물 속에서 유기 반도체물질의 안정성 향상 여부를 테스트하기 위해, 10시간 동안 안정성 테스트를 실시하였다.In order to test whether the stability of the organic semiconductor material in water is improved, a stability test was conducted for 10 hours.
H2 및 O2 가스 검출은 완전히 밀폐된 반응기에서 15.4 mA/cm2(약 1.3V 대 RHE)에서 수행되었다. 전지를 Ar으로 30 분 동안 퍼지하고, 질량 흐름 컨트롤러 (Brooks, 5850E)를 사용하여 가스 크로마토 그래피(YL Instrument, 6500GC 시스템)로 방출된 H2 및 O2 가스의 양을 측정했다. 또한 1M NaOH에 첨가된 10 vol% 18O 표지 물 (Huayi, 98 %)과 Ar 가스를 사용하여 물에서 O2 발생을 확인했다.H 2 and O 2 gas detection was performed at 15.4 mA/cm 2 (about 1.3V vs. RHE) in a fully enclosed reactor. The cell was purged with Ar for 30 min, and the amount of H 2 and O 2 gases released was measured by gas chromatography (YL Instrument, 6500GC system) using a mass flow controller (Brooks, 5850E). In addition, 10 vol% 18 O labeled water (Huayi, 98%) added to 1M NaOH and Ar gas were used to confirm the generation of O 2 in water.
도 6은, AM 1.5 G 조명 (100 mW/cm2) 하에서 1.3V vs. RHE, 1M NaOH 전해질 (pH 13.6)에서 실시예(LDH/Ni/eu@nfOP) 및 비교예(nfOP)의 크로노암페로메트리(Chronoamperometry)측정 결과이다.6 shows 1.3V vs. AM 1.5 G illumination (100 mW/cm 2 ). These are the results of chronoamperometry measurement of Examples (LDH/Ni/eu@nfOP) and Comparative Example (nfOP) in RHE and 1M NaOH electrolyte (pH 13.6).
도 6을 참조하면, 비교예의 경우, 몇 분내로 성능을 잃어버리는 반면, 실시예의 경우 10 시간 이후에도 90 %의 초기성능유지율을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the case of the comparative example, the performance is lost within a few minutes, whereas in the case of the embodiment, it can be confirmed that the initial performance retention rate is 90% even after 10 hours.
도 7은, 실시예의 유기 광산화극을 사용한 물 분해 반응의 경우, 15.4 mA/cm2 (약 1.3V vs. RHE)에서 광전기 화학적 H2 및 O2 생산 및 H2/O2 비율에 대한 패러데이 효율을 나타낸 것이다.7 is a Faraday efficiency for photoelectrochemical H 2 and O 2 production and H 2 /O 2 ratio at 15.4 mA/cm 2 (about 1.3 V vs. RHE) in the case of water decomposition using an organic photo-oxidation electrode of Example. is shown.
도 7을 참조하면, 물 분해 반응에 의해 생성된 수소와 산소 양을 측정한 결과, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 광산화극을 사용한 경우 패러데이 효율 100% 임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , as a result of measuring the amount of hydrogen and oxygen generated by the water decomposition reaction, it can be confirmed that the faradaic efficiency is 100% when the organic photo-oxidation electrode according to an embodiment of the present invention is used.
이를 통해, 갈륨-인듐 공융합금 및 니켈 포일 상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물에 의한 캡슐화는 유기 광산화극이 오랜 시간 동안 안정적으로 광전기화학적 물 분해에 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the encapsulation by the nickel-iron double layer hydroxide synthesized on the gallium-indium eutectic alloy and the nickel foil can be used for photoelectrochemical water splitting stably for a long time.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
Claims (16)
상기 ITO 기판 상에 형성된 전자수송층;
상기 전자수송층 상에 형성된 유기 광활성층;
상기 유기 광활성층 상에 형성된 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성된 금속층;
상기 금속층 상에 형성되고, 갈륨-인듐 공융합금을 포함하는 액체금속층; 및
상기 액체금속층 상에 형성되고, 금속 이중층수산화물 촉매를 포함하는 피막층;을 포함하는,
유기 광산화극.
ITO (Indium Tin Oxide) substrate;
an electron transport layer formed on the ITO substrate;
an organic photoactive layer formed on the electron transport layer;
a hole transport layer formed on the organic photoactive layer;
a metal layer formed on the hole transport layer;
a liquid metal layer formed on the metal layer and containing a gallium-indium eutectic alloy; and
A film layer formed on the liquid metal layer and containing a metal double layer hydroxide catalyst;
organic photoanode.
상기 전자수송층은,
산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 PEDOT:PSS 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The electron transport layer,
Zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ) and PEDOT: To include one or more selected from the group consisting of PSS,
organic photoanode.
상기 유기 광활성층은,
페닐-C61-부틸산메틸에스터(PC61BM), 페닐-C71-부틸산메틸에스터(PC71BM), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC), 3,9-비스(2-메틸렌-(3-(1,1-디시아노메틸렌)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(5-헥실티에닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-Th), 2,7-비스(3-디시아노메틸렌-2Z-메틸렌-인단-1-온)-4,4,9,9-테트라헥실-4,9-디히드로-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(IDIC) 및 3,9-비스(2-메틸렌-((3-(1,1-디시아노메틸렌)-6,7-디플루오로)-인다논))-5,5,11,11-테트라키스(4-헥실페닐)-디티에노[2,3-d:2',3'-d']-s-인다세노[1,2-b:5,6-b']디티오펜(ITIC-4F)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 전자수용체를 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The organic photoactive layer,
Phenyl-C 61 -Butyrate Methyl Ester (PC 61 BM), Phenyl-C 71 -Butyrate Methyl Ester (PC 71 BM), 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyano) methylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[ 1,2-b:5,6-b']dithiophene (ITIC), 3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5 ,11,11-tetrakis(5-hexylthienyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6- b']dithiophene (ITIC-Th), 2,7-bis(3-dicyanomethylene-2Z-methylene-indan-1-one)-4,4,9,9-tetrahexyl-4,9-di Hydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene (IDIC) and 3,9-bis(2-methylene-((3-(1,1-dicyanomethylene)- 6,7-difluoro)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d'] -s-indaceno [1,2-b: 5,6-b'] containing an electron acceptor containing at least one selected from the group consisting of dithiophene (ITIC-4F),
organic photoanode.
상기 유기 광활성층은,
전자공여체 및 전자수용체의 벌크이종접합구조를 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The organic photoactive layer,
Comprising a bulk heterojunction structure of an electron donor and an electron acceptor,
organic photoanode.
상기 정공수송층은,
산화 몰리브덴(MoO3), 오산화바나듐(V2O5), 및 산화 텅스텐(WO3) 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The hole transport layer,
To include at least one selected from the group consisting of molybdenum oxide (MoO 3 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and tungsten oxide (WO 3 ),
organic photoanode.
상기 금속층은,
금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The metal layer,
To include at least one selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag) and aluminum (Al),
organic photoanode.
상기 금속 이중층수산화물 촉매는,
니켈, 철, 백금 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The metal double layer hydroxide catalyst,
To include one or more metals selected from the group consisting of nickel, iron, platinum and alloys thereof,
organic photoanode.
상기 금속 이중층수산화물 촉매는,
금속 포일(foil) 상에 합성된 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The metal double layer hydroxide catalyst,
synthesized on a metal foil,
organic photoanode.
반쪽전지 태양광수소전환효율(half-STH)은, 4.3 % 이상인 것인,
유기 광산화극.
According to claim 1,
The half-cell solar hydrogen conversion efficiency (half-STH) is 4.3% or more,
organic photoanode.
상기 디바이스에 은 페이스트 및 에폭시를 사용하여 구리 와이어를 접합시키는 단계;
상기 디바이스의 금속층 상에 갈륨-인듐 공융합금을 적층하여 액체금속층을 형성시키는 단계; 및
상기 액체금속층 상에 니켈 포일 상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물을 적층하여 피막층을 형성시키는 단계;를 포함하는,
유기 광산화극의 제조방법.
Preparing a device having an organic solar cell structure in which an electron transport layer, an organic photoactive layer, a hole transport layer, and a metal layer are sequentially stacked on an indium tin oxide (ITO) substrate;
bonding a copper wire to the device using silver paste and epoxy;
forming a liquid metal layer by depositing a gallium-indium eutectic alloy on the metal layer of the device; and
Forming a coating layer by laminating a nickel-iron double layer hydroxide synthesized on a nickel foil on the liquid metal layer;
Manufacturing method of organic photo-oxidation electrode.
상기 니켈-철 이중층수산화물은, 수열법에 의해 합성되는 것인,
유기 광산화극의 제조방법.
According to claim 11,
The nickel-iron double layer hydroxide is synthesized by a hydrothermal method,
Manufacturing method of organic photo-oxidation electrode.
상기 니켈 포일상에 합성된 니켈-철 이중층수산화물은,
Ni(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)3·9H2O 및 우레아를 초순수에 용해한 혼합용액을 준비하는 단계; 및
상기 혼합용액 및 니켈 포일을 오토클레이브 내부에 배치하고 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 10 시간 내지 20 시간 동안 놓아둔 후, 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것인,
유기 광산화극의 제조방법.
According to claim 11,
The nickel-iron double layer hydroxide synthesized on the nickel foil,
preparing a mixed solution in which Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O, and urea are dissolved in ultrapure water; and
Placing the mixed solution and nickel foil in an autoclave, placing them at a temperature of 100 ° C to 150 ° C for 10 hours to 20 hours, and then cooling to room temperature;
Manufacturing method of organic photo-oxidation electrode.
상기 피막층을 형성시키는 단계 이후에,
에폭시로 캡슐화하고, 건조하는 단계;를 더 포함하는 것인,
유기 광산화극의 제조방법.
According to claim 11,
After the step of forming the coating layer,
Encapsulating with epoxy and drying; further comprising,
Manufacturing method of organic photo-oxidation electrode.
광 전기화학적 물 분해 시스템.
Including the organic photo-oxidation electrode of claim 1 or the organic photo-oxidation electrode prepared by the manufacturing method of claim 11,
Photoelectrochemical water splitting system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210066118A KR102516637B1 (en) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | Organic photoanode and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
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ADVANCED MATERIALS. 2016. VOL.28. NO.23. 4734-4739 PAGES |
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