KR102620261B1 - Photocatalyst, manufacturing method thereof, and photoelectrochemical device including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광전기화학적 성능을 개선시킬 수 있는 광촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 장치를 제공할 수 있다. The present invention can provide a photocatalyst capable of improving photoelectrochemical performance, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical device including the same.

Description

광촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 장치{Photocatalyst, manufacturing method thereof, and photoelectrochemical device including the same}Photocatalyst, manufacturing method thereof, and photoelectrochemical device including the same}

본 발명은 광촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst, a method for producing the same, and a photoelectrochemical device comprising the same.

지속가능한 에너지는 최근 화석 연료 고갈과 환경 문제를 해결해 줄 수 있는방안으로써 집중적으로 연구 개발이 진행되어 오고 있다. 지속가능한 에너지 중에서도 태양 에너지는 지표면에 도달하는 태양 에너지의 양이 인류에 의해 소모되는 에너지의 양 보다 훨씬 많은 에너지를 가짐에 따라 무한한 자원으로 이용될 수 있고, 온실 가스나 대기 오염을 유발하지 않아 친환경적이기 때문에 유망한 대안 중 하나로 주목된다.Sustainable energy has recently been intensively researched and developed as a way to solve fossil fuel depletion and environmental problems. Among sustainable energies, solar energy can be used as an infinite resource as the amount of solar energy reaching the earth's surface is much more than the amount of energy consumed by mankind, and it is eco-friendly as it does not cause greenhouse gases or air pollution. Because of this, it is attracting attention as one of the promising alternatives.

이와 같이 지속가능한 에너지에 대한 지속된 연구로서, 태양 에너지를 이용하여 광전기화학적 물 분해 기술을 통해 수소를 생산하는 방법이 있다. 특히, 광전기화학적 물 분해 기술의 경우, 적합한 광촉매를 찾는 것이 주요 기술 과제인데, 광촉매로는 낮은 제조 비용과 높은 안정성으로 인해 산화물 반도체를 이용하는 기술이 집중적으로 연구되고 있다. As ongoing research into sustainable energy, there is a method of producing hydrogen through photoelectrochemical water splitting technology using solar energy. In particular, in the case of photoelectrochemical water splitting technology, finding a suitable photocatalyst is a major technological challenge, and technology using oxide semiconductors is being intensively researched as a photocatalyst due to its low manufacturing cost and high stability.

그러나, 광촉매로 널리 사용되는 산화물 반도체의 경우, 상대적으로 높은 에너지 밴드갭으로 인하여 태양광의 대략 4 %를 차지하는 자외선 영역에서 높은 활성을 나타남에 따라 낮은 효율을 나타내어, 산화물 반도체의 상용화에 대한 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서, 가시광선 영역의 흡수에 유리한 광촉매의 개발이 필요한 실정이다.However, in the case of oxide semiconductors, which are widely used as photocatalysts, due to their relatively high energy band gap, they exhibit high activity in the ultraviolet region, which accounts for approximately 4% of sunlight, and thus exhibit low efficiency, acting as an obstacle to the commercialization of oxide semiconductors. I'm doing it. Therefore, there is a need to develop a photocatalyst that is advantageous for absorbing visible light.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양광 에너지를 이용하는 광촉매의 물 분해 효율을 향상시키기 위하여, 가시광선 영역의 흡수에 유리한 광촉매를 제공함에 있다. 본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a photocatalyst that is advantageous for absorbing visible light in order to improve the water decomposition efficiency of a photocatalyst using solar energy. The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 출원에서 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. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

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.In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 명세서에서, "가시광선(visible light)"이란 적외선보다 파장이 짧고 자외선보다 파장이 긴 광으로서 약 300 내지 800 ㎚, 일 예로 330 내지 440 nm의 파장 범위에 속하는 광을 의미하며 태양광에 속한 광(예컨대, 자외선, 가시광선, 적외선 등) 중 가장 높은 비율을 차지한다.In this specification, “visible light” refers to light having a shorter wavelength than infrared light and longer wavelength than ultraviolet light, which falls within the wavelength range of about 300 to 800 nm, for example, 330 to 440 nm, and belongs to sunlight. It accounts for the highest proportion of light (e.g., ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, etc.).

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an idealized or excessively formal sense. No.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. In order to facilitate overall understanding when describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.

<광촉매><Photocatalyst>

본 발명은 일 구체예에서, 광촉매를 제공한다. 도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 광촉매의 모식도를 나타낸 것으로, 이하 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에서, 광촉매(photocatalyst)는 광반응을 가속시키는 촉매를 지칭하는 것으로, 반응에 직접 참여하지 않음으로써 반응을 수행하더라도 소모되지 않고, 기존의 광반응과 다른 메커니즘 경로를 제공하여 반응 속도를 가속시키는 것을 의미할 수 있다. 광촉매를 이용한 광화학 반응은 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 갖는 빛의 흡수하여, 전자와 홀을 생성하고 이들의 전하쌍이 활성종을 생성하여 산화 및 환원이 유발되는 일련의 과정을 포함할 수 있다. In one embodiment, the present invention provides a photocatalyst. Figures 1 and 2 show a schematic diagram of a photocatalyst according to an embodiment, and will be described below with reference to the drawings. In the present invention, a photocatalyst refers to a catalyst that accelerates a photoreaction. By not directly participating in the reaction, it is not consumed even when the reaction is performed, and accelerates the reaction rate by providing a mechanism path different from that of existing photoreactions. It can mean ordering. A photochemical reaction using a photocatalyst may include a series of processes in which light with energy exceeding the bandgap energy is absorbed to generate electrons and holes, and their charge pairs generate active species, causing oxidation and reduction.

특히, 본 발명의 광촉매는 특히 가시광선 조사 하에서 하기 화학식 1과 같이 물을 분해하여 수소 가스를 발생시키는 촉매 활성을 나타낼 수 있고, 물분해 반응은 표준 깁스 자유에너지 변화(standard giabbs free energy change, △G°)값으로 237 KJ/mol을 갖고, 1.23 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다.In particular, the photocatalyst of the present invention can exhibit catalytic activity to generate hydrogen gas by decomposing water as shown in the following formula (1), especially under visible light irradiation, and the water decomposition reaction is a standard Giabbs free energy change (△). It has a G°) value of 237 KJ/mol and a band gap energy of 1.23 eV.

[화학식 1] [Formula 1]

H2O (l) → 0.5 O2 (g) + H2 (g)H 2 O (l) → 0.5 O 2 (g) + H 2 (g)

하나의 예시에서, 본 발명의 광촉매는 기판(200) 및 기판 상에 형성된 것으로 n형 금속 산화물 반도체인 단사정계 (monoclinic) 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 촉매층(100)을 포함할 수 있다. In one example, the photocatalyst of the present invention may include a substrate 200 and a catalyst layer 100 formed on the substrate including monoclinic bismuth vanadate (BiVO 4 ), which is an n-type metal oxide semiconductor. .

기판(200)은 전도성 또는 투명성을 가질 수 있는 재료라면 제한없이 사용될수 있다. 일 예에 따르면, 기판(200)은 FTO, ITO, IZO, 은 나노 와이어, 탄소 나노 튜브 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The substrate 200 can be used without limitation as long as it is a conductive or transparent material. According to one example, the substrate 200 may include one or more of FTO, ITO, IZO, silver nanowire, and carbon nanotube.

촉매층(100)에 포함되는 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 수성 환경에서 높은 안정성을 갖고, 전자와 전하의 유효 질량이 상대적으로 작아 빠른 전하 이동속도를 나타내며, 밴드갭 에너지가 물 분해에 필요한 수준을 만족할 수 있다. 특히, 순수한(pure) 단사정계(monoclinic) 비스무스 바나데이트(BiVO4)의 밴드갭 에너지는 2.4 eV로, 태양광 중에서도 가시광선 파장을 흡수하여 홀과 전자를 만들어 내기 때문에, 자외선 파장 영역을 이용하는 광촉매 대비 그 효율이 매우 높을 수 있다. 여기서, 순수한(pure) 비스무스 바나데이트(BiVO4)라 함은 도핑이나 추가 처리가 되지 않은 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 의미한다.Bismuth vanadate (BiVO 4 ) included in the catalyst layer 100 has high stability in an aqueous environment, exhibits a fast charge transfer rate due to its relatively small effective mass of electrons and charges, and has a band gap energy of the level required for water decomposition. You can be satisfied. In particular, the bandgap energy of pure monoclinic bismuth vanadate (BiVO 4 ) is 2.4 eV, and it absorbs visible wavelengths of sunlight to create holes and electrons, making it a photocatalyst that uses the ultraviolet wavelength range. The efficiency can be very high. Here, pure bismuth vanadate (BiVO 4 ) means bismuth vanadate (BiVO 4 ) that has not been doped or further processed.

그러나, 순수한(pure) 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 낮은 전하 이동성과 전자-홀 쌍의 빠른 재결합 속도로 인해 에너지 변환 효율의 향상에 제약을 갖는다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 출원은 태양광 에너지의 조사에 의하여 생성된 전자와 홀이 빠른 이동도를 갖고 효율적으로 분리되도록 함으로써 전자와 홀의 재결합(recombination)을 억제하고 물과 반응하게 할 확률을 높인 광촉매를 제공할 수 있다. 이와 더불어, 본 출원은 밴드갭 에너지를 낮춰서 더 적은 에너지로도 가시광선을 흡수함으로써, 광자를 효육적으로 흡수할 수 있는 촉매를 제공할 수 있다. 자세한 내용은 아래에서 설명하기로 한다.However, pure bismuth vanadate (BiVO 4 ) has a problem in that it has limitations in improving energy conversion efficiency due to low charge mobility and fast recombination rate of electron-hole pairs. Therefore, in order to solve this problem, the present application suppresses recombination of electrons and holes and reacts with water by ensuring that electrons and holes generated by irradiation of solar energy have fast mobility and are efficiently separated. A photocatalyst with increased probability can be provided. In addition, the present application can provide a catalyst that can efficiently absorb photons by lowering the bandgap energy to absorb visible light with less energy. Details will be explained below.

본 발명의 일 실시예에 따라, 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 Ag, Fe, Mo, Ru, Cu, Fe, T, 및 W 로 이루어진 군 내에서 적어도 1종 이상의 금속으로 도핑될 수 있다. 즉, 본 발명의 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 결정 구조 내 상기 금속으로 도핑될 수 있다. 이와 같이, 금속으로 도핑된 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 개선된 전자 농도 및 이동도를 가짐으로써, 벌크 재결합 속도를 효과적으로 감소시켜 광전류 밀도를 개선할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, bismuth vanadate (BiVO 4 ) may be doped with at least one metal from the group consisting of Ag, Fe, Mo, Ru, Cu, Fe, T, and W. That is, bismuth vanadate (BiVO 4 ) of the present invention can be doped with the above metal in its crystal structure. In this way, bismuth vanadate (BiVO 4 ) doped with metal has improved electron concentration and mobility, thereby effectively reducing the bulk recombination rate and improving photocurrent density.

하나의 예시에서, 비스무스 바나데이트(BiVO4)는 Mo로 도핑되되, Mo는 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수 대비 1.3 내지 2.7 원자%(atomic perncent), 1.5 내지 2.5 원자%, 또는 1.7 내지 2.3 원자%로 포함될 수 있다. 상기 함량으로 도핑됨으로써, 전자와 홀의 트랩으로 작용하는 결함 수가 증가하지 않으면서 개시 전위가 낮아짐에 따라, 광전류 밀도를 개선함으로써 우수한 전기화학적 성능을 가질 수 있다. In one example, bismuth vanadate (BiVO 4 ) is doped with Mo, wherein Mo is 1.3 to 2.7 atomic percent, 1.5 to 2.5 atomic percent, or 1.7 to 2.3 atomic percent relative to the number of atoms of bismuth vanadate (BiVO 4 ). It can be included in atomic percent. By doping with the above content, the initiation potential is lowered without increasing the number of defects that act as traps for electrons and holes, thereby improving the photocurrent density, thereby enabling excellent electrochemical performance.

본 발명의 일 실시예에 따라, 촉매층(100)은 일 면에 3.6×1024 내지 9.7×1028 m-3 범위의 전자 농도를 갖는 패시베이션층(120)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 전자 농도는 모트-쇼트키(Mott-Schottky)법을 이용해 측정한 것일 수 있고, 패시베이션층(120)의 전자 농도는 1.5×1025 m-3 이상, 5×1027 m-3 이상, 7×1027 m-3 이상, 8×1027 m-3 이상, 9×1027 m-3 이상일 수 있고, 1×1029 m-3 이하, 1×1028 m-3 이하일 수 있다. 패시베이션층(120)의 전자 농도는 순수한 단사정계(monoclinic) 비스무스 바나데이트(BiVO4) 대비 2,000배 이상일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst layer 100 may include a passivation layer 120 on one side having an electron concentration in the range of 3.6×10 24 to 9.7×10 28 m -3 . As an example, the electron concentration may be measured using the Mott-Schottky method, and the electron concentration of the passivation layer 120 is 1.5 × 10 25 m -3 or more, 5 × 10 27 m -3 or more, 7×10 27 m -3 or more, 8×10 27 m -3 or more, 9×10 27 m -3 or more, 1×10 29 m -3 or less, 1×10 28 m -3 or less. . The electron concentration of the passivation layer 120 may be more than 2,000 times that of pure monoclinic bismuth vanadate (BiVO 4 ).

본 발명에서, 전자 농도는 이상적인 반도체 특성을 가정하여 하기 도 8에 따른 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 그래프를 통해 하기 수학식에 따라 계산된 것일 수 있다.In the present invention, the electron concentration may be calculated according to the following equation through the Mott-Schottky graph according to FIG. 8, assuming ideal semiconductor characteristics.

[수학식][Equation]

상기 수학식에서, V는 전도대(Conduction band) 포텐셜(V), Vfb는 플랫 밴드 포텐셜(V), KB는 볼츠만 상수, T는 온도(K), e는 전자의 전하(C), ε는 비유전율, ε는 유전상수, ND는 단위 부피당 전자 농도 (cm3), C는 표면 전하 커패시턴스(F/cm2), 및 A는 전극의 표면적 (cm2)를 나타낼 수 있다.In the above equation, V is the conduction band potential (V), V fb is the flat band potential (V), K B is the Boltzmann constant, T is the temperature (K), e is the charge of the electron (C), and ε is The relative dielectric constant, ε may represent the dielectric constant, ND may represent the electron concentration per unit volume (cm 3 ), C may represent the surface charge capacitance (F/cm 2 ), and A may represent the surface area of the electrode (cm 2 ).

보다 자세하게는, 본 출원에 따른 촉매층(100)은 두께 방향으로 전자 농도 또는 산소 공공의 농도가 상이할 수 있다. 자세하게는, 패시베이션층(120)은 기판(200) 상에 위치한 베이스층(110) 대비, 전자 농도가 상대적으로 낮으면서 산소 공공의 농도가 더 높을 수 있다. 다시 말해서, 본 출원에 따른 광촉매층은 재료가 다른 별도의 층을 별도로 증착하지 않고도, 도핑된 비스무스 바나데이트(BiVO4) 촉매층 중 표면의 전자 밀도가 베이스층 대비 높기 때문에, 표면 결함 상태가 비활성화되어 우수한 표면 전자 특성을 나타낼 수 있고, 더불어 개시전위에서 음극 시프트(cathodic shift)를 통해 개선된 광전류밀도를 나타낼 수 있다.More specifically, the catalyst layer 100 according to the present application may have different electron concentration or oxygen vacancy concentration in the thickness direction. In detail, the passivation layer 120 may have a relatively low electron concentration and a higher concentration of oxygen vacancies compared to the base layer 110 located on the substrate 200. In other words, the photocatalyst layer according to the present application has a surface electron density of the doped bismuth vanadate (BiVO 4 ) catalyst layer that is higher than that of the base layer without separately depositing a separate layer of a different material, so the surface defect state is deactivated. It can exhibit excellent surface electronic properties and, in addition, can exhibit improved photocurrent density through a cathodic shift in the onset potential.

촉매층(100)의 두께는 400 내지 800 nm, 500 내지 700 nm, 또는 550 내지 650 nm 일 수 있다. 일 예로서, 패시베이션층(120)의 두께가 베이스층(110)의 두께보다 더 얇을 수 있다. 즉, 촉매층(100)은 촉매층의 두께 대비 표면(상면)으로부터 50%, 40%, 30% 또는 20% 깊이까지 형성된 것으로 높은 전자 농도를 갖는 패시베이션층(120)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 패시베이션층(120)은 전기화학 장치 내에서 전해질과 접촉하는 면일 수 있다. The thickness of the catalyst layer 100 may be 400 to 800 nm, 500 to 700 nm, or 550 to 650 nm. As an example, the thickness of the passivation layer 120 may be thinner than the thickness of the base layer 110. That is, the catalyst layer 100 may include a passivation layer 120 having a high electron concentration that is formed to a depth of 50%, 40%, 30%, or 20% from the surface (top surface) compared to the thickness of the catalyst layer. Additionally, the passivation layer 120 may be a surface that contacts the electrolyte within the electrochemical device.

한편, 반도체 내에서 전자와 홀의 재결합은 표면과 벌크(bulk)에서 발생할 수 있는데, 벌크에서의 재결합 손실과 표면에서의 재결합 손실은 독립적으로 발생할 수 있고, 태양광을 흡수하여 화학반응을 수행하기 위해서는 표면에서의 재결합 손실을 억제하는 것이 매우 중요할 수 있다. 본 출원에 따른 광촉매는 전자 농도가 상기와 같이 매우 높은 패시베이션층을 포함함으로써, 벌크에서의 재결합 손실 뿐 아니라 표면에서의 재결합 손실도 개선될 수 있고, 캐리어의 수명(life-time)을 증가시킬 수 있다. Meanwhile, in a semiconductor, recombination of electrons and holes can occur on the surface and in the bulk. Recombination loss in the bulk and recombination loss on the surface can occur independently, and in order to absorb sunlight and perform a chemical reaction, Suppressing recombination loss at the surface can be very important. The photocatalyst according to the present application includes a passivation layer with a very high electron concentration as described above, so that not only recombination loss in the bulk but also recombination loss on the surface can be improved, and the life-time of the carrier can be increased. there is.

하나의 예로서, 4가 바나듐 이온(V4+) 및 5가 바나듐 이온(V5+) 형태의 바나듐을 포함할 수 있고, X 선 광전자 분광 분석법 (XPS)에 따른 5가 바나듐(V5+) 피크 면적에 대한 4가 바나듐(V4+) 피크 면적 비가 하기 일반식 1을 만족 할 수 있다.As an example, it may include vanadium in the form of tetravalent vanadium ions (V 4+ ) and pentavalent vanadium ions (V 5+ ), and according to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), pentavalent vanadium (V 5+ ) The ratio of tetravalent vanadium (V 4+ ) peak area to peak area may satisfy General Formula 1 below.

[일반식 1][General Formula 1]

0.3〈 피크 면적(V4+)/ 피크 면적 (V5+) 〈 0.60.3〈 Peak Area (V 4+ )/ Peak Area (V 5+ ) 〈 0.6

상기 일반식 1에 따른 하한값은 0.31, 0.32, 0.33, 0.34, 0.35, 0.36, 0.37, 0.38, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 또는 0.47 일 수 있고, 상한값은 0.58, 0.56, 0.54, 0.52, 0.5, 또는 0.49 일 수 있다. The lower limit according to General Formula 1 may be 0.31, 0.32, 0.33, 0.34, 0.35, 0.36, 0.37, 0.38, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, or 0.47, and the upper limit may be 0.58, 0.56, 0. 54, It may be 0.52, 0.5, or 0.49.

또한, 하나의 예로서, -2가 산소 이온(O2-) 및 수산화 이온(OH-) 형태의 산소를 포함할 수 있고, X 선 광전자 분광 분석법 (XPS)에 따른 수산화 이온(OH-) 피크 면적에 대한 -2가 산소 이온(O2-) 피크 면적 비가 하기 일반식 2를 만족할 수 있다. Additionally, as an example, it may include oxygen in the form of -divalent oxygen ions (O 2- ) and hydroxide ions (OH - ), and the hydroxide ion (OH - ) peak according to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The -divalent oxygen ion (O 2- ) peak area ratio to area may satisfy General Formula 2 below.

[일반식 2][General Formula 2]

0.5〈 피크 면적(O2-)/ 피크 면적(OH-) 〈 50.5〈 Peak area (O 2- )/ Peak area (OH - ) 〈 5

상기 일반식 2에 따른 하한값은 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3, 또는 3.1 일 수 있고, 상한값은 4.8, 4.6, 4.4, 4.2, 4, 3.8, 3.6, 3.4, 또는 3.2일 수 있다.The lower limit according to General Formula 2 may be 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3, or 3.1, and the upper limit may be 4.8, 4.6, 4.4, 4.2, It may be 4, 3.8, 3.6, 3.4, or 3.2.

즉, 본 출원에 따르면, 5가 바나듐(V5+) 피크 면적에 대한 4가 바나듐(V4+) 피크 면적 비를 상기 특정 범위로 제어하고, 수산화 이온(OH-) 피크 면적에 대한 -2가 산소 이온(O2-) 피크 면적 비를 상기 특정 범위로 제어함으로써, 표면 결함의 양전하의 감소로 인해 포지티브 홀과 포지티브 결함 부위 사이의 반발성 정전기적 상호 작용이 감소되어 광촉매 표면으로의 홀 이동을 촉진하고 PEC 성능을 개선시킬 수 있다. That is, according to the present application, the ratio of the tetravalent vanadium (V 4+ ) peak area to the pentavalent vanadium (V 5+ ) peak area is controlled to the above specific range, and the ratio of the peak area to the hydroxide ion (OH - ) peak area is -2. By controlling the oxygen ion (O 2- ) peak area ratio to the above specific range, the repulsive electrostatic interaction between positive holes and positive defect sites is reduced due to the reduction of the positive charge of surface defects, resulting in hole movement to the photocatalyst surface. can promote and improve PEC performance.

하나의 예로서, 상기 광촉매는 2 eV 이상 2.3 eV 이하, 일 예로, 2.1 eV 이상 2.3 eV 미만의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 광촉매에 의한 광반응은 가전자대에서 전자를 여기시켜 전도대에 전자를 형성시키고, 가전자대에서는 홀을 형성시킬 수 있다. 여기서, 형성된 전자와 홀은 광촉매의 표면으로 확산되어 광화학 반응에 참여할 수 있는데, 본 발명의 광촉매는 가전자대와 전도대 사이의 간격인 밴드갭 에너지를 순수한 단사정계(monoclinic) 비스무스 바나데이트(BiVO4)의 밴드갭 에너지는 2.4 eV보다 낮춤으로써, 가시광선 영역에서 높은 효율로 광반응을 수행할 수 있다. As an example, the photocatalyst may have a band gap energy of 2 eV or more and 2.3 eV or less, for example, 2.1 eV or more and less than 2.3 eV. A photoreaction using a photocatalyst excites electrons in the valence band, forming electrons in the conduction band and forming holes in the valence band. Here, the formed electrons and holes can diffuse to the surface of the photocatalyst and participate in photochemical reactions. The photocatalyst of the present invention uses the bandgap energy, which is the gap between the valence band and the conduction band, to pure monoclinic bismuth vanadate (BiVO 4 ). By lowering the band gap energy to less than 2.4 eV, photoreaction can be performed with high efficiency in the visible light region.

이에 따른 본 출원의 광촉매를 이용한 광전기화학장치는 2 mA/cm2를 초과 5 mA/cm2 이하의 광전류밀도를 가질 수 있고, 이는 순수한 단사정계(monoclinic) 비스무스 바나데이트(BiVO4) 대비 33배 이상 높은 값이다. 또한, 본 출원의 광촉매를 이용한 광전기화학장치는 35 % 이상의 광촉매효율(IPCE, Incident-Photon-to-electron conversion efficiency)을 나타낼 수 있고, 일 예로서, 37 % 이상, 40 % 이상, 43 % 이상, 또는 45 % 이상이되, 80 % 이하, 70 % 이하, 또는 60 % 이하의 광촉매효율을 나타낼 수 있다. 본 출원에 따른 광촉매를 이용한 광전기화학 장치는 우수한 변환효율을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서, 광전류밀도, 전자 농도 및 전자효율은 모트-쇼트키(Mott-schottky) 분석 결과를 통해 측정될 수 있다.Accordingly, the photoelectrochemical device using the photocatalyst of the present application can have a photocurrent density of more than 2 mA/cm 2 and less than 5 mA/cm 2 , which is 33 times higher than that of pure monoclinic bismuth vanadate (BiVO 4 ). This is a higher value. In addition, the photoelectrochemical device using the photocatalyst of the present application can exhibit a photocatalytic efficiency (IPCE, Incident-Photon-to-electron conversion efficiency) of 35% or more, for example, 37% or more, 40% or more, or 43% or more. , or it may exhibit a photocatalytic efficiency of 45% or more, but 80% or less, 70% or less, or 60% or less. A photoelectrochemical device using a photocatalyst according to the present application can exhibit excellent conversion efficiency. In this specification, photocurrent density, electron concentration, and electron efficiency can be measured through Mott-schottky analysis results.

<광촉매 제조방법><Photocatalyst manufacturing method>

또한, 본 발명은 다른 구체예에서, 광촉매 제조방법을 제공한다.Additionally, in another embodiment, the present invention provides a method for producing a photocatalyst.

먼저, 본 발명의 광촉매의 제조방법은 복합체(A)를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. First, the method for producing the photocatalyst of the present invention may include preparing the composite (A).

복합체(A)를 준비하는 단계는, 비스무트 질산염 또는 그 수화물 1 몰에 대하여 암모늄 바나딘산염 또는 그 수화물 0.5 내지 5 몰을 묽은 산 수용액에 혼합하여 맑은 푸른색의 제 1 비스무스 바나데이트(BiVO4) 복합체 용액(a1)을 형성하는 단계를 포함할 수 있고; 얻어진 제 1 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a1)에 도핑하고자 하는 금속이 포함된 무기 화합물 또는 그 수화물을 추가하여 제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 도핑하고자 하는 금속이 포함된 금속 화합물로 헵타몰리브덴산 암모늄 등을 이용할 수 있다. 또한, 복합체(A)를 준비하는 단계는, 상기로부터 얻어진 제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)에 기판을 딥코팅하여 복합체(A)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The step of preparing the complex (A) is to mix 0.5 to 5 moles of ammonium vanadate or its hydrate with a dilute aqueous acid solution for 1 mole of bismuth nitrate or its hydrate to produce clear blue first bismuth vanadate (BiVO 4 ). forming a complex solution (a1); It may include adding an inorganic compound containing a metal to be doped or a hydrate thereof to the obtained first bismuth vanadate complex solution (a1) to form a second bismuth vanadate complex solution (a2). For example, but not limited to this, ammonium heptamolybdate, etc. may be used as a metal compound containing the metal to be doped. Additionally, the step of preparing the composite (A) may include forming the composite (A) by dip coating a substrate on the second bismuth vanadate composite solution (a2) obtained above.

하나의 예시에서, 딥코팅 단계는, 제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)에 기판을 디핑하는 단계를 포함할 수 있다. 디핑은 수차례, 일 예로서, 2 내지 8 번 반복적으로 또는 연속적으로 수행될 수 있고, 각각의 디핑 단계 사이에 300 내지 400 °C 또는 330 내지 370 °C에서 1 내지 10 분 동안 하소시킬 수 있다. 이와 같이, 본 출원은 수차례 수행되는 디핑 사이에 중간 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함함으로써, 금속 도핑으로 인한 금속 산화물과 같은 이차상(secondary phase)의 생성없이 단사정계(monoclinic)의 결정 구조를 유지할 수 있다. 또한, 마지막 디핑 단계 이후, 350 내지 550 °C에서 7 내지 13 시간 동안 하소시킬 수 있다. 하소 온도는 구체적으로 370 내지 530 °C, 400 내지 500 °C, 또는 420 내지 480 °C일 수 있고, 시간은 8 내지 12 시간 또는 9 내지 11 시간일 수 있다.In one example, the dip coating step may include dipping the substrate into a second bismuth vanadate complex solution (a2). Dipping may be carried out repeatedly or continuously several times, for example 2 to 8 times, with calcining at 300 to 400 °C or 330 to 370 °C for 1 to 10 minutes between each dipping step. . In this way, the present application includes the step of performing an intermediate heat treatment process between dipping performed several times, thereby forming a monoclinic crystal structure without generating a secondary phase such as metal oxide due to metal doping. It can be maintained. Additionally, after the final dipping step, it can be calcined at 350 to 550 °C for 7 to 13 hours. The calcination temperature may specifically be 370 to 530 °C, 400 to 500 °C, or 420 to 480 °C, and the time may be 8 to 12 hours or 9 to 11 hours.

즉, 본 출원은 딥코팅 단계를 통해 도핑된 비스무스 바나데이트를 얻을 수 있고, 본 출원에 따른 방법에 의해, 기존의 단사정계의 비스무스 바나데이트의 결정 구조가 도핑 후에도 여전히 유지될 수 있다. That is, the present application can obtain doped bismuth vanadate through a dip coating step, and by the method according to the present application, the crystal structure of the existing monoclinic bismuth vanadate can still be maintained even after doping.

여기서, 복합체(A)는 Ag, Fe, Mo, Ru, Cu, Fe, T, 및 W 로 이루어진 군 내에서 적어도 1종 이상의 금속으로 도핑된 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 촉매층을 포함하되, 광원 하에서 노출시키는 단계를 수행하기 이전(즉, 광원 하에서 노출시키는 단계를 수행하지 않은) 단계의 생성물로, 촉매층의 일 면에 (3.6Х1024 내지 9.7Х1028 m-3 범위의 전자 농도를 갖는) 패시베이션층을 포함하지 않는 광촉매를 의미할 수 있다. Here, the composite (A) includes a catalyst layer containing bismuth vanadate (BiVO 4 ) doped with at least one metal from the group consisting of Ag, Fe, Mo, Ru, Cu, Fe, T, and W, , the product of the step prior to performing the step of exposure under a light source (i.e., the step of exposure under a light source was not performed), having an electron concentration in the range of (3.6Х10 24 to 9.7Х10 28 m -3) on one side of the catalyst layer. ) It may refer to a photocatalyst that does not include a passivation layer.

다음으로, 본 발명의 광촉매의 제조방법은 준비된 복합체(A)를 일 전극으로 포함하는 광전기화학 장치를 개방 회로(OC; Open-Circuit) 구성으로 5 내지 15시간 또는 7 내지 13시간 동안 광원 하에서 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 광원 하에 노출시키는 단계는 연속적으로 광원에 노출시켰을 때 전위가 평형 전위에 안정적으로 나타냈을 때 까지 수행되는 것일 수 있다. 일 예로서, 광원 조사는 전면 또는 후면에서 수행되는 것일 수 있고, 바람직하게는 전면에서 수행될 수 있다. 전면 조사라 함은 광촉매층(패시베이션층/베이스층)/기판에서 패시베이션층에서 촉매를 향하는 방향으로 광이 조사되는 것을 의미할 수 있고, 후면 조사라 함은 기판에서 촉매를 향하는 방향으로 광이 조사되는 것을 의미할 수 있다. 일 예로서, 광전기화학 장치로 2 전극계 또는 3 전극계를 이용할 수 있고, 예를 들어, 3 전극계의 경우, 작동 전극으로 복합체(A), 상대 전극으로 백금, 및 기준 전극으로 Ag/AgCl을 이용할 수 있다. 또한, 전해질로 pH가 6 내지 8인 염 수용액을 이용할 수 있고, 광원은 100 내지 200 W이고 50 내지 200 mW /cm2를 만족하는 Xe 램프일 수 있다. Next, the method for producing the photocatalyst of the present invention involves exposing a photoelectrochemical device including the prepared composite (A) as one electrode to a light source in an open-circuit (OC) configuration for 5 to 15 hours or 7 to 13 hours. It may include the step of asking. The step of exposing under a light source may be performed until the potential appears stably at the equilibrium potential when continuously exposed to the light source. As an example, light source irradiation may be performed from the front or back, and preferably may be performed from the front. Front irradiation may mean that light is irradiated from the photocatalyst layer (passivation layer/base layer)/substrate in the direction from the passivation layer to the catalyst, and back irradiation means that light is irradiated in the direction from the substrate to the catalyst. It can mean becoming. As an example, a two-electrode system or a three-electrode system can be used as a photoelectrochemical device, for example, in the case of a three-electrode system, composite (A) as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode. can be used. Additionally, an aqueous salt solution having a pH of 6 to 8 may be used as the electrolyte, and the light source may be a Xe lamp that is 100 to 200 W and satisfies 50 to 200 mW/cm 2 .

상기 방법에 따르면, 광원 하에서 노출시키는 단계를 수행하더라도, 복합체(A)의 단사정계 결정구조는 유지될 수 있다. 또한, 본 출원은 광원 하에서 개방 회로 구성에서 노출시키는 단계를 포함함으로써, 촉매층(100) 내 전자 농도가 높아지면서도 산소 공공의 농도가 낮아진 패시베이션층(120)을 포함할 수 있고, 개시 전위에서 큰 음극 이동(cathodic shift)를 유도함에 따라, 우수한 광전 효율을 갖는 광전기화학 장치를 제공할 수 있다.According to the above method, the monoclinic crystal structure of composite (A) can be maintained even if the exposure step is performed under a light source. In addition, the present application may include a passivation layer 120 with a lower concentration of oxygen vacancies while increasing the electron concentration in the catalyst layer 100 by including the step of exposing in an open circuit configuration under a light source, and a large cathode at the onset potential. By inducing cathodic shift, a photoelectrochemical device with excellent photoelectric efficiency can be provided.

<광전기화학 장치><Photoelectrochemical device>

또한, 본 발명은 다른 구체예에서, 광전기화학 장치를 제공한다. 광전기화학 전지는 이에 제한되는 것은 전술한 광촉매를 포함하는 광전극; 및 전해질을 포함하는 것일 수 있고, 광전극 외에도 상대전극 또는 기준전극으로 이루어진 그룹 중에서 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. Additionally, in another embodiment, the present invention provides a photoelectrochemical device. The photoelectrochemical cell includes, but is not limited to, a photoelectrode containing the photocatalyst described above; and an electrolyte, and may further include at least one from the group consisting of a counter electrode or a reference electrode in addition to the photoelectrode.

이에 제한되는 것은 아니나, 상대 전극으로 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 앞서 언급된 것의 둘 이상의 조합 중에서 선택된 물질에서 선택된 물질을 포함할 수 있다. 전도성 고분자는 예를 들면 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리벤젠 및 아세틸렌을 포함하는 고분자 중에서 선택될 수 있다. 또한, 이에 제한되는 것은 아니나, 기준 전극으로 Ag/AgCl 등을 이용할 수 있고, 전해질로 pH 6 내지 8의 묽은 수용액을 이용할 수 있다. Although not limited thereto, a material selected from Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, conductive polymer, and a combination of two or more of the foregoing may be used as the counter electrode. It can be included. The conductive polymer may be selected from polymers including, for example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polybenzene, and acetylene. In addition, although not limited thereto, Ag/AgCl, etc. can be used as a reference electrode, and a dilute aqueous solution of pH 6 to 8 can be used as an electrolyte.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 광촉매는 낮은 밴드갭 에너지를 가짐으로써 광자를 효율적으로 흡수할 수 있고, 이와 동시에 전자와 정공을 효율적으로 분리하여 우수한 물분해 수소 변환 효율을 나타낼 수 있다. 그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.As described above, the photocatalyst according to the embodiments of the present invention can efficiently absorb photons by having a low bandgap energy, and at the same time can efficiently separate electrons and holes, showing excellent water decomposition and hydrogen conversion efficiency. . However, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 일 실시예에 따른 광촉매의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 광촉매의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예의 복합체(A)와 실시예의 광촉매에 대한 주사 전자 현미경 이미지에 관한 것이다.
도 4는 실시예의 복합체(도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4))의 XPS 분석을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예들에 광전류밀도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 광전류밀도를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 시간대전류법 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 측정법에 따른 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 광전자분광법(XPS)에 따른 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉촉매에 대한 광안정성 관련 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows a schematic diagram of a photocatalyst according to one embodiment.
Figure 2 shows a schematic diagram of a photocatalyst according to another example.
Figure 3 relates to scanning electron microscopy images of the example composite (A) and the example photocatalyst.
Figure 4 is a graph showing the XPS analysis of the complex of the example (doped bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 )).
Figure 5 shows photocurrent density in Examples and Comparative Examples.
Figure 6 shows the photocurrent density for the example composite and the example photocatalyst.
Figure 7 shows the chronoamperometric measurement results for the example composite and the example photocatalyst.
Figure 8 shows the results according to the Mott-Schottky measurement method for the composite of the example and the photocatalyst of the example.
Figure 9 shows the results of photoelectron spectroscopy (XPS) for the composite of the example and the photocatalyst of the example.
Figure 10 shows photostability-related results for the example complex and the example photocatalyst.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, a preferred experimental example (example) is presented to aid understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

실시예Example

6 mmol 비스무트 질산염(Bi(NO3)3·5H2O), 6 mmol 암모늄 바나딘산염(NH4VO3), 및 2.52 g 시트르산을 15 mL 질산, 30 mL 증류수, 5 mL 아세트산 및 3 g 폴리비닐 알코올 (중량평균 분자량 89,000~98,000)의 용액에 천천히 첨가하여 혼합하여, 맑은 푸른색의 제 1 비스무스 바나데이트(BiVO4) 복합체 용액을 얻었다. 얻어진 제 1 복합체 용액을 25 °C의 실온에서 4시간 동안 교반하였다. 그리고나서, 헵타몰리브덴산 암모늄((NH4)6Mo7O24·4H2O)을 이용하여, 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 2 원자 %(atomic percent)로 도핑시킬 수 있는 제 2 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4) 복합체 용액을 얻었다.6 mmol bismuth nitrate (Bi(NO 3 ) 3 5H 2 O), 6 mmol ammonium vanadate (NH 4 VO 3 ), and 2.52 g citric acid were mixed with 15 mL nitric acid, 30 mL distilled water, 5 mL acetic acid, and 3 g poly. By slowly adding and mixing to a solution of vinyl alcohol (weight average molecular weight 89,000 to 98,000), a clear blue first bismuth vanadate (BiVO 4 ) complex solution was obtained. The obtained first complex solution was stirred at room temperature of 25 °C for 4 hours. Then, using ammonium heptamolybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O), an agent that can be doped with 2 atomic percent based on the number of bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms is prepared. 2 A solution of bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 ) complex was obtained.

세척된 FTO 유리를 제 2 복합체 용액에 4 차례 디핑(dipping)하고, 1 내지 3 차례의 디핑 직후에 350 °C에서 5 분 동안 하소(calcination)를 진행하였고, 마지막 디핑 직후에는 450 °C 에서 10 시간 동안 하소(calcination)를 진행하여, 복합체(A)로서, 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 2 원자 %(atomic percent)로 도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4)를 얻었다. The washed FTO glass was dipped into the second composite solution four times, and calcination was performed at 350 °C for 5 minutes immediately after 1 to 3 dipping, and immediately after the last dipping, at 450 °C for 10 minutes. By performing calcination for a period of time, bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 ) doped at 2 atomic percent based on the number of bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms was obtained as composite (A). .

다음으로, 작동 전극으로 상기에서 얻어진 복합체(2 원자 %(atomic percent)로 도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4)), 상대 전극으로 백금, 및 기준 전극으로 Ag/AgCl, 전해질로 pH가 7인 0.5 M의 Na2SO4 수용액으로 구성된 3 전극계 광전기화학 장치를 개방 회로 구성으로 10시간 동안 150 W의 Xe 램프 (100 mW /cm2)의 전면 조명 하에서 노출시켜 평형 전위가 안정적으로 나타났을 때, 최종적으로 광촉매를 얻었다. Next, the composite obtained above (bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 ) doped with 2 atomic percent) as the working electrode, platinum as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode, and pH as the electrolyte. A three-electrode photoelectrochemical device consisting of a 0.5 M Na 2 SO 4 aqueous solution with a value of 7 was exposed under front illumination of a 150 W Xe lamp (100 mW/cm 2 ) in an open circuit configuration for 10 hours to ensure a stable equilibrium potential. When it appeared, the photocatalyst was finally obtained.

비교예 1Comparative Example 1

비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 1 원자 %(atomic percent)로 도핑시킬 수 있는 제 2 비스무스 바나데이트(1% Mo-BiVO4) 복합체 용액을 이용하여, 광촉매로 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 1 원자 %(atomic percent)로 도핑된 비스무스 바나데이트(1% Mo-BiVO4)를 이용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 제조방법으로 제조하여 광촉매를 얻었다. Bismuth vanadate (BiVO 4 ) is produced as a photocatalyst using a second bismuth vanadate (1% Mo-BiVO 4 ) complex solution that can be doped at 1 atomic percent based on the number of bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms. ) A photocatalyst was obtained using the same manufacturing method as in the example, except that bismuth vanadate (1% Mo-BiVO 4 ) doped at 1 atomic percent relative to the number of atoms was used.

비교예 2Comparative Example 2

비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 3 원자 %(atomic percent)로 도핑시킬 수 있는 제 2 비스무스 바나데이트(3% Mo-BiVO4) 복합체 용액을 이용하여, 광촉매로 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 3 원자 %(atomic percent)로 도핑된 비스무스 바나데이트(3% Mo-BiVO4)를 이용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 제조방법으로 제조하여 광촉매를 얻었다.Using a second bismuth vanadate (3% Mo-BiVO 4 ) complex solution that can be doped at 3 atomic percent based on the number of bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms, bismuth vanadate (BiVO 4 ) was produced as a photocatalyst. ) A photocatalyst was obtained using the same manufacturing method as in the example, except that bismuth vanadate (3% Mo-BiVO 4 ) doped at 3 atomic percent with respect to the number of atoms was used.

비교예 3Comparative Example 3

비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 5 원자 %(atomic percent)로 도핑가능한 제 2 비스무스 바나데이트(5% Mo-BiVO4) 복합체 용액을 이용하여, 광촉매로 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수에 대하여 5 원자 %(atomic percent)로 도핑된 비스무스 바나데이트(5% Mo-BiVO4)를 이용한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 제조방법으로 제조하여 광촉매를 얻었다.Using a second bismuth vanadate (5% Mo-BiVO 4 ) complex solution that can be doped at 5 atomic percent based on the number of bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms, bismuth vanadate (BiVO 4 ) atoms are used as a photocatalyst. A photocatalyst was obtained using the same manufacturing method as in the example, except that bismuth vanadate (5% Mo-BiVO 4 ) doped at 5 atomic percent was used.

비교예4Comparative Example 4

6 mmol 비스무트 질산염(Bi(NO3)3·5H2O), 6 mmol 암모늄 바나딘산염(NH4VO3), 및 2.52 g 시트르산을 15 mL 질산, 30 mL 증류수, 5 mL 아세트산 및 3 g 폴리비닐 알코올 (중량평균 분자량 89,000~98,000)의 용액에 천천히 첨가하여 혼합하여, 맑은 푸른색의 비스무스 바나데이트(BiVO4) 복합체 용액을 얻었다. 얻어진 복합체 용액을 25 °C의 실온에서 4시간 동안 교반하고, 세척된 FTO 유리를 복합체 용액에 4 차례 디핑(dipping)하고, 1 내지 3 차례의 디핑 직후에 350 °C에서 5 분 동안 하소(calcination)를 진행하였고, 마지막 디핑 직후에는 450 °C 에서 10 시간 동안 하소(calcination)를 진행하여, 순수한(pure) 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 광촉매로 얻었다. 6 mmol bismuth nitrate (Bi(NO 3 ) 3 5H 2 O), 6 mmol ammonium vanadate (NH 4 VO 3 ), and 2.52 g citric acid were mixed with 15 mL nitric acid, 30 mL distilled water, 5 mL acetic acid, and 3 g poly. By slowly adding and mixing a solution of vinyl alcohol (weight average molecular weight 89,000 to 98,000), a clear blue bismuth vanadate (BiVO 4 ) complex solution was obtained. The obtained composite solution was stirred at room temperature of 25 °C for 4 hours, the washed FTO glass was dipped into the composite solution four times, and immediately after 1 to 3 dipping, it was calcined at 350 °C for 5 minutes. ) was performed, and immediately after the final dipping, calcination was performed at 450 °C for 10 hours to obtain pure bismuth vanadate (BiVO 4 ) as a photocatalyst.

도 3은 실시예의 복합체(A)와 실시예의 광촉매에 대한 주사 전자 현미경 이미지에 관한 것이다. 특히, (a)와 (c)는 광원 하에서 노출시키기 전 단계의 복합체(A), (b)와 (d)는 복합체(A)를 광원 하에서 노출시켜 얻은 광촉매에 대하여 배율을 달리하여 촬영한 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 3에 따르면, 광원 하에서 노출시키기 전 후의 모폴로지와 결정 구조 상 변화가 없음을 확인할 수 있다.Figure 3 relates to scanning electron microscopy images of the example composite (A) and the example photocatalyst. In particular, (a) and (c) are scans taken at different magnifications of the composite (A) before exposure under a light source, and (b) and (d) are scans of the photocatalyst obtained by exposing the composite (A) under a light source. This is an electron microscope (SEM) image. According to Figure 3, it can be confirmed that there is no change in morphology and crystal structure before and after exposure to a light source.

도 4는 실시예의 복합체(도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4))의 XPS 분석을 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the XPS analysis of the complex of the example (doped bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 )).

도 4를 참조하면, 실시예의 도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4)는, 비교예 4에 따른 순수한(pure) 비스무트 바나데이트(BiVO4)의 단사정계 결정구조에서, 몰리브데넘(Mo) 원자가 바나듐(V) 원자로 치환된어 혼합 산화물인 BiV0.98Mo0.02O4로 형성되는 것임을 알 수 있다. Mo 3d 코어 레벨 피크를 살펴보면, 실시예의 복합체(도핑된 비스무스 바나데이트(2% Mo-BiVO4))에서 Mo 3d 피크가 나타나는 반면, 비교예 4에 따른 순수한 (pure) 비스무트 바나데이트(BiVO4)는 해당 피크를 나타내지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, the doped bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 ) of the example is molybdenum ( It can be seen that the mixed oxide BiV 0.98 Mo 0.02 O 4 is formed by replacing the Mo) atom with a vanadium (V) atom. Looking at the Mo 3d core level peak, the Mo 3d peak appears in the composite of the example (doped bismuth vanadate (2% Mo-BiVO 4 )), while the pure bismuth vanadate (BiVO 4 ) according to Comparative Example 4 It can be confirmed that does not show the corresponding peak.

도 5는 실시예 및 비교예들에 광전류밀도를 나타낸 것이고, 도 6은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 광전류밀도를 나타낸 것으로, 광전극으로 각각 실시예 및 비교예들에 따른 광촉매, 상대 전극으로 백금, 기준 전극으로 Ag/AgCl, 전해질로 pH가 7인 0.5 M Na2SO4 수용액을 이용한 광전기화학 정치로 측정한 것이다.Figure 5 shows the photocurrent density in the Examples and Comparative Examples, and Figure 6 shows the photocurrent density for the composite of the Example and the photocatalyst of the Example, and the photocatalyst and counter electrode according to the Examples and Comparative Examples as the photoelectrode, respectively. It was measured by photoelectrochemical measurement using platinum as the reference electrode, Ag/AgCl as the reference electrode, and 0.5 M Na 2 SO 4 aqueous solution with a pH of 7 as the electrolyte.

도 5를 참조하면, 광전기화학 장치를 개방 회로 (OC; Open Circuit) 구성으로 광원 하에서 일정시간 노출시키는 단계, 즉 광충전 단계를 수행함으로써 광전류 밀도가 더욱 개선되는 것을 확인할 수 있다. 도 6을 참조하면, 광전기화학 장치를 개방 회로 (OC; Open Circuit) 구성으로 광원 하에서 장시간 노출시키는 단계가 낮은 바이어스 전압에서 훨씬 효과적임을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the photocurrent density is further improved by performing a step of exposing the photoelectrochemical device under a light source in an open circuit (OC) configuration for a certain period of time, that is, performing an optical charging step. Referring to FIG. 6, it can be seen that exposing the photoelectrochemical device in an open circuit (OC) configuration under a light source for a long time is much more effective at low bias voltage.

도 7은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 시간대전류법 측정 결과를 나타낸 것으로, 1.23 V (vs. RHE)의 전압으로 4 사이클 동안 측정한 것이며, 광전류는 빛이 켜진 후 즉각적인 점프를 나타내며 광촉매에서 빠른 전하 수집을 나타낸다. Figure 7 shows the chronoamperometric measurement results for the example composite and the example photocatalyst, measured over 4 cycles at a voltage of 1.23 V (vs. RHE), and the photocurrent shows an immediate jump after the light is turned on, showing an immediate jump in the photocatalyst. Indicates rapid charge collection.

도 8은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 측정법에 따른 결과를 나타낸 것이다. Figure 8 shows the results according to the Mott-Schottky measurement method for the composite of the example and the photocatalyst of the example.

본 발명에서 모든 PEC 측정은 작동 전극으로 실시예나 비교예에 따른 광촉매, 상대 전극으로 백금, 및 기준 전극으로 Ag/AgCl, 전해질로 pH가 7인 0.5 M의 Na2SO4 수용액으로 구성된 3 전극계 광전기화학 장치로 수행된 것일 수 있고, IPCE 결과는 0.6 V (vs. Ag/AgCl) (1.23 V vs. RHE) 에서의 대시간전류 측정을 통해 계싼된 것일 수 있다. In the present invention, all PEC measurements are performed using a three-electrode system consisting of a photocatalyst according to Examples or Comparative Examples as a working electrode, platinum as a counter electrode, Ag/AgCl as a reference electrode, and a 0.5 M Na 2 SO 4 aqueous solution with a pH of 7 as an electrolyte. It may have been performed with a photoelectrochemical device, and the IPCE results may have been calculated from time-to-current measurements at 0.6 V (vs. Ag/AgCl) (1.23 V vs. RHE).

모트-쇼트키(Mott-Schottky) 스펙트럼의 기울기와 절편에서 전자 밀도 및 플랫 밴드 포텐셜을 아래 표 1과 같이 얻을 수 있고, 실시예와 비교예 4의 광촉매를 이용하여 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 분석 을통해, 광전기화학 장치를 개방 회로 (OC; Open Circuit) 구성으로 광원 하에서 일정시간 노출시키는 단계를 수행함으로써 전기화학 성능에 미치는 영향을 이해할 수 있다. The electron density and flat band potential can be obtained from the slope and intercept of the Mott-Schottky spectrum as shown in Table 1 below, and the Mott-Schottky ) Through analysis, the effect on electrochemical performance can be understood by performing the step of exposing the photoelectrochemical device under a light source for a certain period of time in an open circuit (OC) configuration.

이하 표 1은 실시예 및 비교예 4의 전자 밀도, 플랫 밴드 포텐셜, 광전류 밀도(at 1.23V) 및 광전효율(IPCE at 0.6V)을 정리한 것이다. Table 1 below summarizes the electron density, flat band potential, photocurrent density (at 1.23V), and photoelectric efficiency (IPCE at 0.6V) of Example and Comparative Example 4.

전자 밀도
(m-3)
electron density
(m -3 )
플랫 밴드 포텐셜
(V)
flat band potential
(V)
광전류 밀도
(at 1.23V)
(mA/cm2)
photocurrent density
(at 1.23V)
(mA/ cm2 )
IPCE
(at 0.6V)
(%)
IPCE
(at 0.6V)
(%)
실시예Example 9.77 × 1027 9.77 × 10 27 -0.36-0.36 0.0880.088 44 비교예 4Comparative Example 4 3.68 × 1024 3.68 × 10 24 -0.6-0.6 33 49.249.2

도 9는 실시예의 복합체와 실시예의 광촉매에 대한 광전자분광법(XPS)에 따른 결과를 나타낸 것이다.Figure 9 shows the results of photoelectron spectroscopy (XPS) for the example complex and the example photocatalyst.

도 9(a)와 (b)를 참조하면, 광촉매의 V2P3/2 궤도에 대한 명확한 음극 시프트(cathodic shift)의 이동을 확인할 수 있다. 또한, 도 9(c) 및 9(d)를 참조하면, 광촉매의 O1s의 피크 강도가 감소하고 반치폭(FWMH)도 증가했음을 확인할 수 있다.Referring to Figures 9(a) and (b), a clear cathodic shift can be confirmed with respect to the V2P 3/2 orbital of the photocatalyst. Additionally, referring to Figures 9(c) and 9(d), it can be seen that the peak intensity of O1s of the photocatalyst decreased and the full width at half maximum (FWMH) also increased.

V5+ 및 V4+ 피크는 각각 대략 517 eV 및 516 eV에서 나타날 수 있고, O2- 및 OH- 피크는 각각 대략 530 eV 및 531.5 eV에서 나타날 수 있고, 복합체 대비 광촉매에서 수산기의 피크가 더욱 두드러지게 나타날 수 있다. V 5+ and V 4+ peaks can appear at approximately 517 eV and 516 eV, respectively, O 2- and OH - peaks can appear at approximately 530 eV and 531.5 eV, respectively, and the peaks of hydroxyl groups are more pronounced in the photocatalyst compared to the composite. may appear prominently.

도 10은 실시예의 복합체와 실시예의 광촉촉매에 대한 광안정성 관련 결과를 나타낸 것이다.Figure 10 shows photostability-related results for the example complex and the example photocatalyst.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the description has been made with reference to the above examples, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will be able to.

Claims (12)

Mo로 도핑된 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 촉매층을 포함하고, 상기 Mo는 비스무스 바나데이트(BiVO4) 원자수 대비 1.3 내지 2.7 원자 %(atomic percent)로 포함되며,
촉매층은 일 면에 전자 농도가 7×1027 내지 9.7×1028 m-3 범위 내인 패시베이션층을 포함하고,
-2가 산소 이온(O2-) 및 수산화 이온(OH-) 형태의 산소를 포함하며, X 선 광전자 분광 분석법 (XPS)에 따른 수산화 이온(OH-)피크 면적에 대한 -2가 산소 이온(O2-) 피크 면적 비가 하기 일반식 2를 만족하는 광촉매:
[일반식 2]
0.5〈 피크 면적(O2-)/ 피크 면적(OH-)〈 5.
A catalyst layer containing bismuth vanadate (BiVO 4 ) doped with Mo, wherein Mo is contained in an amount of 1.3 to 2.7 atomic percent based on the number of atoms of bismuth vanadate (BiVO 4 ),
The catalyst layer includes a passivation layer on one side having an electron concentration in the range of 7×10 27 to 9.7×10 28 m -3 ,
-Contains oxygen in the form of divalent oxygen ions (O 2- ) and hydroxide ions (OH - ), and -divalent oxygen ions ( O 2- ) Photocatalyst whose peak area ratio satisfies the following general formula 2:
[General Formula 2]
0.5〈 Peak area (O 2- )/ Peak area (OH - )〈 5.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
4가 바나듐 이온(V4+) 및 5가 바나듐 이온(V5+) 형태의 바나듐을 포함하고, X 선 광전자 분광 분석법 (XPS)에 따른 5가 바나듐(V5+)피크 면적에 대한 4가 바나듐(V4+) 피크 면적 비가 하기 일반식 1을 만족하는 광촉매:
[일반식 1]
0.3〈 피크 면적(V4+)/ 피크 면적(V5+) 〈 0.6
According to claim 1,
It contains vanadium in the form of tetravalent vanadium ion (V 4+ ) and pentavalent vanadium ion (V 5+ ), and tetravalent vanadium (V 5+ ) peak area according to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A photocatalyst whose vanadium (V 4+ ) peak area ratio satisfies the following general formula 1:
[General Formula 1]
0.3〈 Peak Area (V 4+ )/ Peak Area (V 5+ ) 〈 0.6
삭제delete 제 1 항에 있어서,
밴드갭 에너지는 2 eV 이상 2.3 eV 이하인 광촉매.
According to claim 1,
A photocatalyst with a band gap energy of 2 eV or more and 2.3 eV or less.
제 1 항에 있어서,
가시광선 조사 하에서 물을 분해하여 수소를 발생시키는 촉매 활성을 나타내는 광촉매.
According to claim 1,
A photocatalyst that exhibits catalytic activity to generate hydrogen by decomposing water under visible light irradiation.
복합체(A)를 준비하는 단계; 및
복합체(A)를 일 전극으로 포함하는 광전기화학 장치를 개방 회로 (OC; Open Circuit) 구성으로 5 내지 15시간 동안 광원 하에서 노출시켜 광촉매를 제조하는 단계를 포함하는 제 1 항에 따른 광촉매의 제조방법.
Preparing complex (A); and
A method for producing a photocatalyst according to claim 1, comprising the step of producing a photocatalyst by exposing a photoelectrochemical device including the composite (A) as one electrode under a light source in an open circuit (OC) configuration for 5 to 15 hours. .
제 7 항에 있어서,
복합체(A)를 준비하는 단계는,
비스무트 질산염 또는 그 수화물과 암모늄 바나딘산염 또는 그 수화물을 혼합하여 비스무스 제 1 바나데이트 복합체 용액(a1)을 형성하는 단계;
도핑하고자 하는 금속이 포함된 금속 화합물을 추가하여 제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)을 형성하는 단계; 및
제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)에 기판을 딥코팅하여 복합체(A)를 형성하는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법.
According to claim 7,
The step of preparing complex (A) is,
mixing bismuth nitrate or its hydrate and ammonium vanadate or its hydrate to form a bismuth first vanadate complex solution (a1);
Forming a second bismuth vanadate complex solution (a2) by adding a metal compound containing a metal to be doped; and
A method for producing a photocatalyst comprising forming a composite (A) by dip coating a substrate in a second bismuth vanadate composite solution (a2).
제 8 항에 있어서,
딥코팅 단계는,
제 2 비스무스 바나데이트 복합체 용액(a2)에 기판을 디핑하는 단계; 및
350 내지 550 °C에서 7 내지 13 시간 동안 하소시키는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법.
According to claim 8,
The dip coating step is,
Dipping the substrate into a second bismuth vanadate complex solution (a2); and
A method for producing a photocatalyst comprising calcining at 350 to 550 °C for 7 to 13 hours.
제 8 항에 있어서,
디핑하는 단계가 2 내지 8 번 반복적으로 수행되고,
각각의 디핑 단계 사이에 300 내지 400 °C 에서 1 내지 10 분 동안 하소시키는 단계를 포함하는 광촉매의 제조방법.
According to claim 8,
The dipping step is repeated 2 to 8 times,
A method for producing a photocatalyst comprising calcining at 300 to 400 °C for 1 to 10 minutes between each dipping step.
제 1 항에 따른 광촉매를 포함하는 광전극; 및 전해질을 포함하는 광전기화학 장치A photoelectrode comprising the photocatalyst according to claim 1; and a photoelectrochemical device comprising an electrolyte. 제 11 항에 있어서,
상기 전해질은 pH가 6 내지 8인 수용액을 이용하는 광전기화학 장치.
According to claim 11,
A photoelectrochemical device using an aqueous solution with a pH of 6 to 8 as the electrolyte.
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