KR102630344B1 - Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same - Google Patents

Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same Download PDF

Info

Publication number
KR102630344B1
KR102630344B1 KR1020210184152A KR20210184152A KR102630344B1 KR 102630344 B1 KR102630344 B1 KR 102630344B1 KR 1020210184152 A KR1020210184152 A KR 1020210184152A KR 20210184152 A KR20210184152 A KR 20210184152A KR 102630344 B1 KR102630344 B1 KR 102630344B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
composite electrode
poly
clause
reaction system
Prior art date
Application number
KR1020210184152A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230094762A (en
Inventor
장지욱
오동락
메흐로트라 라쉬미
Original Assignee
울산과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산과학기술원 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020210184152A priority Critical patent/KR102630344B1/en
Publication of KR20230094762A publication Critical patent/KR20230094762A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102630344B1 publication Critical patent/KR102630344B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/28Per-compounds
    • C25B1/30Peroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50Processes
    • C25B1/55Photoelectrolysis
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/50Cells or assemblies of cells comprising photoelectrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • H10K30/151Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains

Abstract

본 발명은, 페로브스카이트 광전기복합 전극 및 이를 포함하는 능동적 태양광 전기화학반응 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 투명전극층; 및 상기 투명전극층 상에 형성된 광전기 촉매층; 을 포함하고, 상기 광전기 촉매층은, 산화처리된 버키 페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)를 포함하는 전기촉매층; 및 유무기 페로브스카이트층을 포함하는 광흡수층; 을 포함하는 것인, 광전기복합 전극 및 이를 포함하는 능동적 태양광 전기화학반응 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a perovskite photoelectric composite electrode and an active solar electrochemical reaction system including the same, and more specifically, to a transparent electrode layer; and a photoelectrocatalyst layer formed on the transparent electrode layer. It includes, wherein the photoelectrocatalyst layer includes: an electrocatalyst layer including oxidized buckypaper (O-BP); and a light absorption layer including an organic-inorganic perovskite layer; It relates to a photoelectric composite electrode and an active solar electrochemical reaction system including the same.

Description

페로브스카이트 광전기 복합전극 및 이를 포함하는 능동적 태양광 전기화학반응 시스템{PEROVSKITE PHOTOELECTRODE AND ACTIVE-PHOTOELECTROCHEMICAL REACTION SYSTEM COMPRISING SAME}Perovskite photoelectric composite electrode and active solar electrochemical reaction system including the same {PEROVSKITE PHOTOELECTRODE AND ACTIVE-PHOTOELECTROCHEMICAL REACTION SYSTEM COMPRISING SAME}

본 발명은, 페로브스카이트 광전기복합 전극 및 이를 포함하는 능동적 태양광 전기화학반응 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a perovskite photoelectric composite electrode and an active solar electrochemical reaction system including the same.

과산화수소(H2O2)는, 부산물로 H2O와 O2만을 생성하는 친환경 산화제로 폐수처리, 제지산업, 펄프 표백 등에서 적용되고 있다. 수성 H2O2(60 %; 3.0 MJ L-1)의 에너지 밀도는, 압축된 H2 (2.8 MJ L-1 at 35 MPa)의 에너지 밀도와 동일하고, 저장 및 이동이 용이하다. 현재 95 % 이상의 H2O2가 “안트라퀴논 산화” 공정을 이용하여 상업적으로 제조되고 있으나, 상업화된 공정은, 상당한 에너지와 수많은 유기 화학물질이 필요한 복잡한 반응 공정과 분리 공정으로 구성된다. 또한, 수소화 반응 동안 사용되는 귀금속 Pd 기반 촉매와 고압 H2는, 공정 비용을 증가시키고 수많은 안전 상의 문제를 야기할 수 있다. Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is an eco-friendly oxidizing agent that produces only H 2 O and O 2 as by-products and is used in wastewater treatment, the paper industry, and pulp bleaching. The energy density of aqueous H 2 O 2 (60%; 3.0 MJ L -1 ) is the same as that of compressed H 2 (2.8 MJ L -1 at 35 MPa) and is easy to store and transport. Currently, more than 95% of H 2 O 2 is produced commercially using the “anthraquinone oxidation” process, but the commercial process consists of complex reaction and separation processes that require significant energy and numerous organic chemicals. Additionally, the noble metal Pd-based catalyst and high pressure H 2 used during the hydrogenation reaction can increase process costs and cause numerous safety issues.

이와 관련하여 광촉매를 사용한 O2의 단일 단계 환원을 통한 태양광 H2O2 생산은, 간단하고 안전하며 지속 가능한 대안을 제공할 수 있다. 광전극 성능과 전기촉매 선택도를 개선하여 태양광에서 화합물(예: H2O2)의 변환 효율(solar-to-chemical conversion efficiency, SCC; %)을 높이는 것이 중요하다. 현재 태양광 H2O2 생산 애플리케이션은, 무기물 기반 광전극만 사용하고 있다. 이러한 전극은, 본질적으로 조정할 수 없는 밴드 갭 및 밴드 위치에 따른 불량한 전하 전달 특성을 가지고 있으므로 낮은 성능을 나타낸다. H2O2 전기촉매와 관련하여 3d 전이 금속을 포함하는 포르피린 기반 물질(porphyrin-based material)은, H2O2 생산에 대한 높은 선택성 때문에 사용되고 있지만, 이러한 금속은, 중심 금속(예: Co)과 N 결합이 쉽게 절단되기 때문에 안정성이 낮고, 가격이 비싸다.In this regard, solar H 2 O 2 production through single-step reduction of O 2 using a photocatalyst can provide a simple, safe, and sustainable alternative. It is important to increase the solar-to-chemical conversion efficiency (SCC; %) of compounds (e.g. H 2 O 2 ) in sunlight by improving photoelectrode performance and electrocatalyst selectivity. Currently, solar H 2 O 2 production applications only use inorganic-based photoelectrodes. These electrodes have inherently untunable band gaps and poor charge transfer properties depending on the band position, resulting in low performance. In connection with H 2 O 2 electrocatalysis, porphyrin-based materials containing 3d transition metals have been used due to their high selectivity for H 2 O 2 production, but these metals are Because the and N bonds are easily cleaved, it has low stability and is expensive.

본 발명은, 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 산화된 버키페이퍼가 통합되고, 능동적으로 태양광에 의한 전기화학반응으로 화합물(예: 과산화 수소)을 안정적으로 생산할 수 있는, 페로브스카이트 기반의 광전기 복합전극에 관한 것이다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a perovskite-based device that integrates oxidized buckypaper and can stably produce compounds (e.g., hydrogen peroxide) through an electrochemical reaction using active sunlight. It relates to photoelectric composite electrode.

본 발명은, 본 발명에 의한 페로브스카이트 기반의 광전기 복합전극을 광캐소드(photocathode)로 포함하고, 비보조 선택성으로 태양광에 의한 전기화학반응으로 화합물(예: 과산화 수소)을 생산하기 위한, 능동적 태양광 전기화학반응 시스템을 제공하는 것이다. The present invention includes a perovskite-based photoelectric composite electrode according to the present invention as a photocathode, and is used to produce a compound (e.g., hydrogen peroxide) through an electrochemical reaction using sunlight with unassisted selectivity. , to provide an active solar electrochemical reaction system.

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 problems to be solved by the present invention are 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 실시예에 따라, 투명전극층; 및 상기 투명전극층 상에 형성된 광전기 촉매층; 을 포함하고, 상기 광전기 촉매층은, 산화처리된 버키 페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)를 포함하는 전기촉매층; 및 유무기 페로브스카이트를 포함하는 광흡수층; 을 포함하는 것인, 광전기 복합전극에 관한 것이다. According to one embodiment of the present invention, a transparent electrode layer; and a photoelectrocatalyst layer formed on the transparent electrode layer. It includes, wherein the photoelectrocatalyst layer includes: an electrocatalyst layer including oxidized buckypaper (O-BP); And a light absorption layer containing an organic-inorganic perovskite; It relates to an opto-electric composite electrode comprising a.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층 및 상기 광흡수층 사이에 필즈 금속을 포함하는 보호층; 을 더 포함하고, 상기 보호층은, 상기 전기촉매층의 일면에 형성된 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a protective layer including a fields metal between the electrocatalyst layer and the light absorption layer; It may further include, and the protective layer may be formed on one surface of the electrocatalyst layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 필즈 금속은, 비스무스 : 인듐 : 주석의 질량비(wt%)는 31 내지 33 : 50 내지 52 : 16 내지 17인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the fields metal may have a mass ratio (wt%) of bismuth: indium: tin of 31 to 33:50 to 52:16 to 17.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층 및 상기 보호층의 두께는, 각각, 1 ㎛ 내지 3 mm인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the electrocatalyst layer and the protective layer may be 1 μm to 3 mm, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층 및 상기 보호층의 두께는, 각각, 0.1 mm 내지 3 mm인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the electrocatalyst layer and the protective layer may be 0.1 mm to 3 mm, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 산화처리된 버키 페이퍼는, 50 wt% 이상의 산 수용액 내에서 50 ℃ 내지 100 ℃ 온도에서 산처리된 CNT를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the oxidized bucky paper may include CNTs that have been acid-treated at a temperature of 50°C to 100°C in an acid aqueous solution of 50 wt% or more.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기 촉매층은, 정공수송층, 전자수송층 및 전하수집층 중 적어도 하나를 더 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the photoelectric catalyst layer may further include at least one of a hole transport layer, an electron transport layer, and a charge collection layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 정공수송층은, PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), PANI:PSS(폴리아닐린:폴리(4-스티렌설포네이트), PANI:CSA(폴리아닐린:캡퍼설폰산), PDBT(폴리(4,4'-디메톡시비티오펜), 폴리티오페닐 렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the hole transport layer is PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), PANI:PSS (polyaniline:poly(4-styrenesulfonate)) nate), PANI:CSA (polyaniline:cappersulfonic acid), PDBT (poly(4,4'-dimethoxybithiophene), polyhiophenylenevinylene, polyvinylcarbazole, polyparaphenyl It may include at least one selected from the group consisting of poly-p-phenylenevinylene and their derivatives.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전자수송층은, 풀러렌(C60), 풀러렌(C70), 풀러렌(C80), PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(C60), PCBM(C70), PCBM(C80), ThCBM((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electron transport layer is fullerene (C60), fullerene (C70), fullerene (C80), PCBM ([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester) (C60), PCBM (C70), PCBM (C80), ThCBM ((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) and PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) It may include

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전하수집층은, PEI(Poly(ethyleneimine)), PEIE(Poly(ethyleneimine)- ethoxylated,) poly(ethyleneimine)-ethoxylated) 및 PFN(Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)])으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the charge collection layer is PEI (Poly(ethyleneimine)), PEIE (Poly(ethyleneimine)-ethoxylated,) poly(ethyleneimine)-ethoxylated), and PFN (Poly[(9,9- It contains at least one selected from the group consisting of bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)]) You can.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 정공수송층은, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극층 사이에 형성된 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hole transport layer may be formed between the light absorption layer and the transparent electrode layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전하수송층, 상기 전자수집층 또는 이 둘은, 광흡수층 및 보호층 사이에 형성된 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the charge transport layer, the electron collection layer, or both may be formed between the light absorption layer and the protective layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 광전기 복합전극을 포함하는 광캐소드; 애노드; 및 멤브레인; 을 포함하는, 능동적 태양광 전기화학반응 시스템에 관한 것이다. According to one embodiment of the present invention, an optical cathode including an opto-electric composite electrode according to the present invention; anode; and membrane; It relates to an active solar electrochemical reaction system including.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광애노드는, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 및 이의 산화물을 포함하는 산화 반응용 광촉매를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the photoanode includes tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), and iridium. It may include a photocatalyst for an oxidation reaction containing at least one selected from the group consisting of (Ir) and an oxide thereof.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 촉매는, 탄소계 집전체 상에 코팅된 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst may be coated on a carbon-based current collector.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 멤브레인은, 나피온인 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the membrane may be Nafion.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광캐소드는, 산소 환원에 의한 과산화수소를 생성하고, 상기 광애노드는, 물을 산화시키는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the photocathode may generate hydrogen peroxide through oxygen reduction, and the photoanode may oxidize water.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광캐소드는, 산소, 질소 및 탄소 중 적어도 하나 이상을 환원하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the photocathode may reduce at least one of oxygen, nitrogen, and carbon.

본 발명은, 기존의 유무기 혼합 페로브스카이트 광흡수물질(예: MAPbI3)과 보호층(예: 필즈 금속)을 동반한 활성 전기촉매(예: O-BP, oxidised buckypaper)를 융합하여 광에너지를 효과적으로 활용 가능한 광촉매 기반의 광전기 복합전극을 제공할 수 있다. The present invention fuses an existing organic-inorganic mixed perovskite light absorbing material (e.g. MAPbI 3 ) with an active electrocatalyst (e.g. O-BP, oxidised buckypaper) accompanied by a protective layer (e.g. Fields metal). A photocatalyst-based photoelectric composite electrode that can effectively utilize light energy can be provided.

본 발명은, 광촉매 기반의 광전기 복합전극을 포함하는 광캐소드 및 애노드(예: 비결정성 산화철·니켈 복합체(a-NiFeOx)과 연결하여 능동적 태양광 전기화학반응 시스템을 제공하고, 이는 태양광에서 화합물(예: 과산화수소)로 전환효율을 향상시키고, 안정적인 시스템 구동을 실현시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명은, 능동적으로 과산화수소 생산이 가능한 태양광 과산화수소 생성 시스템을 제공할 수 있다. The present invention provides an active solar electrochemical reaction system by connecting a photocathode and anode (e.g., amorphous iron oxide/nickel composite (a- NiFeO Conversion efficiency can be improved with compounds (e.g. hydrogen peroxide) and stable system operation can be realized. For example, the present invention can provide a solar hydrogen peroxide generation system capable of actively producing hydrogen peroxide.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광전기 복합전극을 포함하는 능동적 과산화수소 생성 시스템의 구성 및 작동을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 광전기 복합전극의 과산화수소 생성 촉매의 분석 및 성능을 나타낸 것으로, (a) O-BP의 주사 전자 현미경 사진, (b) O-BP의 단면 주사 전자 현미경 사진(Scale bar, 100 μm), 및 (c) BP 및 O-BP의 라만 스펙트럼이고, (d), (e) 및 (f) BP 및 O-BP의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 광전기 복합전극의 과산화수소 생성 촉매의 분석 및 성능을 나타낸 것으로, (a) BP 및 O-BP의 LSV (Capacitive current compensated linear sweep voltammetry), (b) BP 및 O-BP의 패러데이 효율(FE) 및 (c) 과산화수소 생산량이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 광전기 복합전극의 촉매에서 MAPbI3 PSK의 (a) 주사 전자 현미경 이미지 및 (b) 단면 주사 전자 현미경 이미지 를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 광전기 복합전극의 촉매에서 융복합형 광전기 촉매 성능 및 분석과 물 산화 촉매의 활성도를 나타낸 것으로, 광캐소드의 (a) J-E 응답 및 (b) 파장-의존 스펙트럼 응답이고, 애노드의 (c) J-E 응답 및 (d) 시간 전위차계 테스트 결과이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 시스템에 의한 능동적 과산화수소 생성 확인 및 현재까지의 보고된 능동적 과산화수소 생성 시스템의 성능을 비교한 것으로, (a) J-E 응답의 비교, (b) H2O2 생성(n) 및 FE(%)의 비교 및 (c) 태양광에서 화합물(H2O2)의 변환 효율(solar-to-chemical conversion efficiency, SCC; %)을 나타낸 것이다.
1 is a conceptual diagram illustrating the configuration and operation of an active hydrogen peroxide generation system including the photoelectric composite electrode of the present invention, according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the analysis and performance of the hydrogen peroxide production catalyst of the photoelectric composite electrode according to an embodiment of the present invention, (a) scanning electron micrograph of O-BP, (b) O-BP A cross-sectional scanning electron micrograph (scale bar, 100 μm), and (c) Raman spectra of BP and O-BP, (d), (e), and (f) XPS (X-ray) of BP and O-BP. This is the result of photoelectron spectroscopy analysis.
Figure 3 shows the analysis and performance of the hydrogen peroxide production catalyst of the photoelectric composite electrode according to an embodiment of the present invention, (a) LSV (Capacitive current compensated linear sweep voltammetry) of BP and O-BP , (b) Faradaic efficiency (FE) of BP and O-BP, and (c) hydrogen peroxide production.
Figure 4 shows (a) a scanning electron microscope image and (b) a cross-sectional scanning electron microscope image of MAPbI 3 PSK in the catalyst for the photoelectric composite electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the performance and analysis of the convergence-type photoelectrocatalyst and the activity of the water oxidation catalyst in the catalyst of the photoelectric composite electrode according to an embodiment of the present invention, (a) JE response of the photocathode and (b) Wavelength-dependent spectral response, (c) JE response of the anode, and (d) temporal potentiometer test results.
Figure 6 is a confirmation of active hydrogen peroxide generation by the system according to the present invention, according to an embodiment of the present invention, and a comparison of the performance of active hydrogen peroxide generation systems reported to date. (a) Comparison of JE responses, (a) b) Comparison of H 2 O 2 production (n) and FE (%) and (c) conversion efficiency (solar-to-chemical conversion efficiency, SCC; %) of the compound (H 2 O 2 ) in sunlight. .

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In describing the present invention, if a detailed description of a related known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only cases where a member is in contact with another member, but also cases where another member exists between the two members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, this does not mean excluding other components, but rather means that it can further include other components.

이하, 본 발명의 광전기 복합전극 및 광전기화학적 반응 시스템에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the photoelectric composite electrode and photoelectrochemical reaction system of the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.

본 발명은, 광전기 복합전극에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기 복합전극은, 광전기 촉매를 이용하여 능동적으로 태양광에 의한 광전기화학적 반응(예: 산화 및/또는 환원)을 유도하여, 친환경적이고, 고효율로 화합물(예: 과산화 수소)을 생성하는데 이용될 수 있다. The present invention relates to a photoelectric composite electrode. According to one embodiment of the present invention, the photoelectric composite electrode actively carries out a photoelectrochemical reaction (e.g., oxidation and/or reduction) by sunlight using a photoelectric catalyst. It can be used to produce environmentally friendly and highly efficient compounds (e.g. hydrogen peroxide).

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기 복합전극은, 투명전극층; 및 광전기 촉매층을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the opto-electric composite electrode includes: a transparent electrode layer; And it may include a photoelectric catalyst layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 투명전극층은, 태양광이 투과되는 높은 광투과성을 갖는 전극이며, 광전극에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 투명 기판 상에 ITO, Al-doped ZnO(AZO), Ga-doped ZnO(GZO), In,Ga-doped ZnO(IGZO), Mg-doped ZnO(MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F-doped SnO2, Nb-doped TiO2 및 CuAlO2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. According to one embodiment of the present invention, the transparent electrode layer is an electrode with high light transparency through which sunlight passes through, and can be applied without limitation as long as it is applicable to a photoelectrode, for example, ITO, Al on a transparent substrate. -doped ZnO(AZO), Ga-doped ZnO(GZO), In,Ga-doped ZnO(IGZO), Mg-doped ZnO(MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO, Ga-doped MgO, F- It may include at least one selected from the group consisting of doped SnO 2 , Nb-doped TiO 2 and CuAlO 2 , but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기 촉매층은, 도 1을 참조하면, 상기 투명전극층 상에 형성되고, 광흡수층 및 전기촉매층을 포함하고, 상기 광흡수층 및 상기 전기촉매층 사이에 유기, 무기 또는 이 둘을 포함하는 정공·전자 이동층;을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, referring to FIG. 1, the photoelectrocatalyst layer is formed on the transparent electrode layer, includes a light absorption layer and an electrocatalyst layer, and has an organic, inorganic or organic layer between the light absorption layer and the electrocatalyst layer. It may include a hole/electron transfer layer containing these two.

즉, 본 발명은, 광흡수 물질과 활성 전기 촉매를 접합하여 고효율 고안정성으로 구동할 수 있는 기술을 제시하고, 이러한 광전기 복합전극 시스템을 이용하여 산소 환원뿐 아니라, 질소 환원, 이산화탄소 환원 등 다양한 환원 반응을 위한 광촉매 및 시스템 개발이 가능할 수 있다. 또한, 본 발명은, 고효율 유무기 페로브스카이트 광흡수물질의 경우 물의 직접적인 접촉에 굉장히 취약하나, 상기 전기촉매층(예: 필즈메탈(Field's metal, FM)과 산화처리된 버키페이퍼를 각각 보호층 및 활성층으로 사용함)과 동시에 원활한 정공·전자 이동층을 사용함으로써 효과적인 광에너지 활용이 가능하고, 높은 안정성을 보이며 효율적으로 광전기화학반응으로 화합물(예: 과산화수소)를 생산할 수 있다. In other words, the present invention proposes a technology that can be driven with high efficiency and high stability by combining a light-absorbing material and an active electrocatalyst, and uses this photoelectric composite electrode system to reduce not only oxygen, but also various reductions such as nitrogen reduction and carbon dioxide reduction. It may be possible to develop photocatalysts and systems for the reaction. In addition, in the present invention, in the case of a high-efficiency organic-inorganic perovskite light-absorbing material, it is very vulnerable to direct contact with water, but the electrocatalyst layer (e.g., Field's metal (FM)) and oxidized bucky paper are each used as a protective layer. and an active layer) and at the same time using a smooth hole/electron transfer layer, it is possible to effectively utilize light energy, show high stability, and efficiently produce compounds (e.g. hydrogen peroxide) through photoelectrochemical reactions.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광흡수층은, 유무기 페로브스카이트를 포함하는 광흡수물질층을 포함할 수 있다. 상기 광흡수물질은, 가전자대와 전도대로 구성되어 있으며 두 에너지 준위 사이의 차이에 의한 밴드갭을 갖는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the light absorption layer may include a light absorption material layer including an organic-inorganic perovskite. The light-absorbing material is composed of a valence band and a conduction band and may have a band gap due to the difference between two energy levels.

상기 유무기 페로브스카이트는 더 긴 전하 캐리어 확산 길이, 밴드갭 조정(bandgap tunability) 및 향상된 광흡수 계수를 가지므로, 무기 기반 광전극에 비해 많은 이점을 제공할 수 있다. The organic-inorganic perovskite has a longer charge carrier diffusion length, bandgap tunability, and improved optical absorption coefficient, so it can provide many advantages over inorganic-based photoelectrodes.

본 발명의 일 예로, 상기 유무기 페로브스카이트층은, 고효율 광흡수물질에 해당되며, 하기의 화학식 1로 표시되는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물(organic/inorganic hybrid perovskite compound)일 수 있다. As an example of the present invention, the organic/inorganic perovskite layer corresponds to a high-efficiency light absorption material and may be an organic/inorganic hybrid perovskite compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

AaMbXc A a M b

상기 화학식 1에서, A는 1가의 양이온이고, M은 2가의 금속 양이온 또는 3가 금속 양이온이며, X 및 1가의 음이온이다. 구체적으로, A는 1가의 유기 양이온, 1가의 무기 양이온 또는 이들의 조합일 수 있다. In Formula 1, A is a monovalent cation, M is a divalent metal cation or a trivalent metal cation, and X and a monovalent anion are. Specifically, A may be a monovalent organic cation, a monovalent inorganic cation, or a combination thereof.

예를 들어, 1가의 유기 양이온은 C1~24의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기(-NH3), 수산화기(-OH), 시아노기(-CN), 할로겐기, 니트로기(-NO), 메톡시기(-OCH3) 또는 이미다졸리움기가 치환된 C1~24의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 이들의 조합일 수 있다. For example, monovalent organic cations include straight or branched C 1-24 alkyl, amine group (-NH 3 ), hydroxyl group (-OH), cyano group (-CN), halogen group, nitro group (-NO), It may be straight or branched C 1 to 24 chain alkyl substituted with a methoxy group (-OCH 3 ) or an imidazolium group, or a combination thereof.

예를 들어, 1가의 무기 양이온은, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+, Cu(I) +, Ag(I)+ 및 Au(I)+에서 선택될 수 있다. For example, the monovalent inorganic cation may be selected from Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , Fr + , Cu(I) + , Ag(I) + and Au(I) + .

예를 들어, M은, Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Co2+, Ni2+, Ti2+, Zr2+, Hf2+, Rf2+, In3+, Bi3+, Co3+, Sb3+ 및 Ni3+에서 선택될 수 있다. 구체적으로, M이 2가 금속 양이온인 경우, a+2b=c일 수 있고, M이 3가 양이온인 경우, a+3b=c일 수 있다 . For example, M is Pb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , Cu 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Ti 2+ , Zr 2+ , Hf 2+ , Rf 2+ , In 3+ , Bi 3+ , Co 3+ , Sb 3+ and Ni 3+ . Specifically, when M is a divalent metal cation, it may be a+2b=c, and when M is a trivalent cation, it may be a+3b=c.

예를 들어, X는 F-, Cl-, Br- 및 I- 중에서 선택될 수 있다. For example, X can be selected from F - , Cl - , Br - and I - .

바람직하게는, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물은, CH3NH3PbInCl3-n, CH3NH3PbBrnCl3-n, CH3NH3PbInBr3-n, CH(NH2)2PbInCl3-n, CH(NH2)2PbBrnCl3-n, CH(NH2)2PbInBr3-n,  MAPbCl3(methylammonium lead chloride), MAPbI3 (methylammonium lead iodide ), MAPbBr3(methylammonium lead bromide), FAPbI3 (formamidinum lead iodide), MASnCl3(methylammonium tin chloride), MASnBr3 (methylammonium tin bromide), MASnI3(methylammonium tin iodide), FASnCl3 (formamidinium tin chloride), FASnBr3(formamidinium tin bromide) 및 FASnI3 (formamidinium tin iodide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. Preferably, the organic-inorganic hybrid perovskite compound is CH 3 NH 3 PbInCl 3-n , CH 3 NH 3 PbBr n Cl 3-n , CH 3 NH 3 PbInBr 3-n , CH(NH 2 ) 2 PbInC l3-n , CH(NH 2 ) 2 PbBr n Cl 3-n , CH(NH 2 ) 2 PbInBr 3-n, MAPbCl 3 (methylammonium lead chloride), MAPbI 3 ( methylammonium lead iodide), MAPbBr 3 (methylammonium lead bromide) ), FAPbI 3 ( formamidinium lead iodide), MASnCl 3 (methylammonium tin chloride), MASnBr 3 (methylammonium tin bromide), MASnI 3 (methylammonium tin iodide), FASnCl 3 (formamidinium tin chloride), FASnBr 3 (formamidinium tin bromide) and It may include at least one selected from the group consisting of FASnI 3 (formamidinium tin iodide).

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 정공·전자 이동층은, 상기 광흡수물질이 밴드갭 이상의 빛 에너지를 받게 되면 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하게 되면서 가전자대에서는 정공(h+) 및 전도대에서는 전자(e-)가 만들어지고, 정공(h+) 및 전자(e-)는 물질의 표면으로 이동하는 경향이 있으며, 이 때 정공과 전자의 이동을 효과적으로 진행시키기 위해서, 정공수송층(Hole Transfer Layer, HTL), 전자수송층(Electron Transfer Layer, ETL) 및 전하수집층(Charge Collector Layer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hole/electron transfer layer is such that when the light absorbing material receives light energy exceeding the band gap, electrons move from the valence band to the conduction band, and the valence band moves into holes (h + ) and the conduction band. Electrons (e - ) are created, and holes (h + ) and electrons (e - ) tend to move to the surface of the material. At this time, in order to effectively move holes and electrons, a hole transport layer (Hole Transfer) is created. It may include at least one of a layer (HTL), an electron transfer layer (ETL), and a charge collector layer.

본 발명의 일 예로, 상기 정공수송층은, PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), PANI:PSS(폴리아닐린:폴리(4-스티렌설포네이트), PANI:CSA(폴리아닐린: 캡퍼설폰산), PDBT(폴리(4,4'-디메톡시비티오펜), 폴리티오페닐 렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As an example of the present invention, the hole transport layer includes PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), PANI:PSS (polyaniline:poly(4-styrenesulfonate), PANI:CSA (polyaniline: cappersulfonic acid), PDBT (poly(4,4'-dimethoxybithiophene), polyhiophenylenevinylene, polyvinylcarbazole, polyparaphenylenevinylene (poly-p-phenylenevinylene) and their derivatives, but is not limited thereto.

본 발명의 일 예로, 상기 전자수송층은, 풀러렌(fullerene, C60), 풀러렌(C70), 풀러렌(C76), 풀러렌(C78), 풀러렌(C80), 풀러렌(C82), 풀러렌(C84), PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(C60), PCBM(C70), PCBM(C80), ThCBM((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) 등의 풀러렌 유도체, PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), 탄소나노튜브, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As an example of the present invention, the electron transport layer is fullerene (C 60 ), fullerene (C 70 ), fullerene (C 76 ), fullerene (C 78 ), fullerene (C 80 ), fullerene (C 82 ), fullerene (C 84 ), PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(C 60 ), PCBM(C 70 ), PCBM(C 80 ), ThCBM((6,6)-thienyl-C61- It may include at least one selected from the group consisting of fullerene derivatives such as butyric acid methyl ester (ThCBM), PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), carbon nanotubes, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, etc. However, it is not limited to this.

본 발명의 일 예로, 상기 전하수집층은, PEI(Poly(ethyleneimine)), PEIE(Poly(ethyleneimine)- ethoxylated,) poly(ethyleneimine)-ethoxylated) 및 PFN(Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)])으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. As an example of the present invention, the charge collection layer is PEI (Poly(ethyleneimine)), PEIE (Poly(ethyleneimine)-ethoxylated,) poly(ethyleneimine)-ethoxylated), and PFN (Poly[(9,9-bis(3) '-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)]), but may include at least one selected from the group consisting of Not limited.

본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 상기 정공수송층은, 상기 유무기 페로브스카이트층과 상기 투명전극층 사이에 형성되고, 상기 전자수송층 및 상기 전하수집층은, 유무기 페로브스카이트층 상에 적층되며, 상기 전기촉매층 및 상기 유무기 페로브스카이트층 사이에 배치될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, referring to FIG. 1, the hole transport layer is formed between the organic-inorganic perovskite layer and the transparent electrode layer, and the electron transport layer and the charge collection layer are formed of an organic-inorganic perovskite layer. It is laminated on a skite layer and may be disposed between the electrocatalyst layer and the organic-inorganic perovskite layer.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층은, 환원 활성 전기촉매를 포함하고, 예를 들어, 산소, 질소 및 탄소 중 적어도 하나 이상의 환원 활성을 갖는 것일 수 있다. 바람직하게는 산소 환원 활성일 수 있다. 예를 들어, 상기 전기촉매층은, 광흡수물질로부터 산소 환원 활성 전기촉매 표면으로 이동한 전자에 의해서 산소를 환원시켜 과산화수소 생성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the electrocatalyst layer may include a reduction-active electrocatalyst and, for example, may have reduction activity of at least one of oxygen, nitrogen, and carbon. Preferably, it may be oxygen reduction activity. For example, the electrocatalyst layer can generate hydrogen peroxide by reducing oxygen using electrons that move from the light-absorbing material to the surface of the oxygen reduction-active electrocatalyst.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층은, 산화처리된 버키 페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)를 포함할 수 있으며, 이는 광흡수물질로부터 이동한 전자에 의한 효과적이고 안정적인 환원 활성을 제공하고, 광전기화학 반응에 의해서 태양광에 의한 화합물의 생성 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 효과적인 과산화수소 생성을 위해 산화처리된 카본 나노 튜브(Oxidized carbon nanotube, O-CNT) 계열의 촉매를 포함하고, 물리적 안정성과 광흡수물질과의 접합성을 높이기 위해 가루 계열에서 시트 계열(O-BP)로 적용될 수 있다. 상기 산화처리된 버키 페이퍼와 페로브스카이트 물질의 접합을 통해서 용복합형 광전기촉매를 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the electrocatalyst layer may include oxidised buckypaper (O-BP), which provides effective and stable reduction activity by electrons transferred from the light-absorbing material. And, the production efficiency of compounds using sunlight can be improved through photoelectrochemical reactions. For example, it contains a catalyst of the oxidized carbon nanotube (O-CNT) series for effective hydrogen peroxide generation, and catalysts from powder series to sheet series (O-CNT) are used to increase physical stability and adhesion to light-absorbing materials. -BP) can be applied. A composite photoelectrocatalyst can be provided through bonding the oxidized bucky paper and the perovskite material.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층은, 친수성 표면을 가지면, 물에 대한 표면 접촉각이 30 ° 이하; 25 ° 이하; 또는 10 ° 이하일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, when the electrocatalyst layer has a hydrophilic surface, the surface contact angle with water is 30° or less; Below 25°; Or it may be 10° or less.

본 발명의 일 예로, 상기 산화처리된 카본 나노 튜브는, 50 wt% 이상; 또는 60 wt% 이상의 산 수용액 내에서 50 ℃ 내지 100 °C 온도에서 산처리된 것일 수 있다. 상기 산 수용액은, 질산, 황산 및 염산 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 산 처리에 의해서 CNT 표면의 산화를 유도하여 결합 부위가 무질서한 많은 작용기를 생성시키고, 이는 산화처리된 버키 페이퍼의 환원 활성(예: H2O2에 대한 ORR 활성)과 선택성을 동시에 증가시킬 수 있다. As an example of the present invention, the oxidized carbon nanotubes contain 50 wt% or more; Alternatively, it may be acid treated at a temperature of 50°C to 100°C in an aqueous acid solution of 60 wt% or more. The acid aqueous solution may include at least one of nitric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid. This acid treatment induces oxidation of the CNT surface, generating many functional groups with disordered binding sites, which can simultaneously increase the reducing activity (e.g., ORR activity for H 2 O 2 ) and selectivity of the oxidized bucky paper. there is.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층의 두께는, 1 μm 이상; 10 μm 이상; 50 μm 이상; 100 μm 이상; 300 μm 이상; 10 μm 내지 200 μm; 또는 0.1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 상기 광흡수층의 보호 기능을 제공하고, 광전기 복합전극의 안정성 및 성능 향상을 개선시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the thickness of the electrocatalyst layer is 1 μm or more; 10 μm or more; 50 μm or more; 100 μm or more; 300 μm or more; 10 μm to 200 μm; Or it may be 0.1 mm to 3 mm. If it is within the above range, it can provide a protection function for the light absorption layer and improve the stability and performance of the opto-electric composite electrode.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전기촉매층 및 상기 광흡수층 사이에 필즈 금속을 포함하는 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은, 상기 전기촉매층과 상기 광흡수층의 접합을 유도하고, 물 등에 의해 손상될 수 있는 상기 광흡수층을 보호하여 광캐소드(예: 광캐소드를 포함하는 광전기화학 시스템)의 구동 안정성을 높이고, 상기 광흡수층에 의한 효율적인 광에너지 활용과 전자/정공 이동을 원활하게 하여 장기간 동안 안정적인 성능으로 작업 성능을 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a protective layer containing a fields metal may be further included between the electrocatalyst layer and the light absorption layer. The protective layer induces adhesion of the electrocatalyst layer and the light absorption layer and protects the light absorption layer from being damaged by water, etc., thereby increasing the driving stability of the photocathode (e.g., a photoelectrochemical system including a photocathode). , the light absorption layer can efficiently utilize light energy and facilitate electron/hole movement, providing stable work performance over a long period of time.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 보호층은, 상기 전기촉매층의 일면에 형성되고, 상기 필즈 금속에서 비스무스(Bi) : 인듐(In) : 주석(Sn)의 질량비는, 31 내지 33 : 50 내지 52 : 16 내지 17인 것일 수 있다. 예를 들어, Bi : In : Sn=32.5 : 51 : 16.5 (w : w : w)일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the protective layer is formed on one surface of the electrocatalyst layer, and the mass ratio of bismuth (Bi): indium (In): tin (Sn) in the fields metal is 31 to 33:50. to 52:16 to 17. For example, Bi:In:Sn=32.5:51:16.5 (w:w:w).

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 보호층의 두께는, 1 μm 이상; 10 μm 이상; 50 μm 이상; 100 μm 이상; 200 μm 이상; 1 μm 내지 100 μm; 또는 0.1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 상기 전기촉매층 및 상기 광흡수층의 연결 및 통합시켜 융복합형 광전기촉매를 형성하고, 상기 광흡수층의 보호 기능을 제공하여 광전기 복합전극의 안정성 및 성능 향상을 개선시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the thickness of the protective layer is 1 μm or more; 10 μm or more; 50 μm or more; 100 μm or more; 200 μm or more; 1 μm to 100 μm; Or it may be 0.1 mm to 3 mm. If it is within the above range, the electrocatalyst layer and the light absorption layer can be connected and integrated to form a fusion photoelectrocatalyst, and the stability and performance of the photoelectric composite electrode can be improved by providing a protection function for the light absorption layer.

본 발명은, 본 발명에 의한 광전기 복합전극을 포함하는 광전기화학반응 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 광전기 복합전극을 포함하는 광캐소드; 애노드; 및 멤브레인;을 포함할 수 있다. The present invention relates to a photoelectrochemical reaction system including a photoelectric composite electrode according to the present invention, and according to one embodiment of the present invention, a photocathode including the photoelectric composite electrode according to the present invention; anode; and a membrane.

본 발명의 일 실시예에 따라, 애노드는 산화 활성을 갖는 전기촉매를 포함하고, 예를 들어, 물산화 활성 전기촉매를 포함할 수 있고, 산소 환원을 통해 효율적으로 과산화수소를 생성할 수 있는 산화처리된 버키페이퍼(oxidized buckypaper, O-BP)와 광에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 유·무기 혼합 페로브스카이트를 융복합하여 능동적 태양광 전기화학반응 시스템(예: 능동적 과산화수소 생성 시스템)을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the anode may include an electrocatalyst with oxidation activity, for example, an electrocatalyst with water oxidation activity, and oxidation treatment capable of efficiently generating hydrogen peroxide through oxygen reduction. By combining oxidized buckypaper (O-BP) and organic-inorganic mixed perovskite that can efficiently utilize light energy, an active solar electrochemical reaction system (e.g., active hydrogen peroxide generation system) can be provided. You can.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 애노드는, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 및 이의 산화물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화 반응용 광촉매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이리듐 산화물(IrOx), 니켈철 산화물(NiFeOx), 코발트철 산화물(CoFeOx), 니켈코발트 산화물(NiCoOx)(x는 양의 유리수이다.) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 효과적인 물 산화를 위해서 비결정성 산화철니켈 복합체를 적용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the anode is tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), and iridium ( It may include a photocatalyst for an oxidation reaction containing at least one selected from the group consisting of Ir) and at least one of its oxides. For example , it may be iridium oxide (IrO No. Preferably, an amorphous iron nickel oxide complex can be applied for effective water oxidation.

본 발명의 일 예로, 상기 애노드는 탄소계 집전체 상에 코팅된 촉매를 포함할 수 있다. 상기 탄소계 집전체는, 탄소, 흑연, 탄소나노튜브, 활성탄 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 탄소계 집전체는 다공성 카본 집전체이며, 상기 촉매는 잉크를 이용하여 집전체 상에 로딩되어 넓은 촉매 분포를 확보할 수 있다. As an example of the present invention, the anode may include a catalyst coated on a carbon-based current collector. The carbon-based current collector may be carbon, graphite, carbon nanotubes, activated carbon, etc., but is not limited thereto. The carbon-based current collector is a porous carbon current collector, and the catalyst is loaded on the current collector using ink to ensure wide catalyst distribution.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 멤브레인은, 광전기화학반응 시스템에 적용 가능하고, 캐소드 및 애노드의 작동을 위해 멤브레인 기능을 갖는 이들을 구획화할 수 있는 것이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 술폰산기(-SO3H)를 가진 퍼플루오로술폰산계 이온교환막일 수 있으며, 보다 구체적으로 Nafion막, Gore막, Flemion막, Aciplex막 등일 수 있다. 바람직하게는 Nafion막일 수 있다. 예를 들어, 산화전극에서의 반응과 환원전극에서의 반응은, 나피온(Nafion) 분리막을 통해 각각 독립적인 공간에서 산화 환원 반응을 유도할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane is applicable to a photoelectrochemical reaction system and can be applied without limitation as long as it can compartmentalize them with a membrane function for the operation of the cathode and anode, for example, sulfonic acid It may be a perfluorosulfonic acid-based ion exchange membrane with a group (-SO 3 H), and more specifically, it may be a Nafion membrane, Gore membrane, Flemion membrane, or Aciplex membrane. Preferably, it may be a Nafion film. For example, the reaction at the anode and the reaction at the cathode can induce redox reactions in independent spaces through a Nafion separator.

본 발명이 일 실시예에 따라, 상기 광전기화학반응 시스템은, 작동 및 원하는 생성물을 획득하기 위해서 추가 구성을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 과산화수소의 생성을 위해서 광캐소드에 산소 공급을 위한 공급관을 더 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the photoelectrochemical reaction system may further include additional components for operation and obtaining desired products, for example, a supply pipe for supplying oxygen to the photocathode for generation of hydrogen peroxide. It may further include.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기화학반응 시스템은, 상기 광캐소드에서 산소, 질소 및 탄소 중 적어도 하나 이상의 환원 활성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 산소 환원활성에 의해서 과산화수소를 생성할 수 있다. 즉, 도 1을 참조하면, 산소 환원을 통해 효율적으로 과산화수소를 생성할 수 있는 산화처리된 버키페이퍼(oxidized buckypaper, O-BP)와 광에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 유·무기 혼합 페로브스카이트를 융복합한 광캐소드를 포함하는 능동적 과산화수소 생성 시스템이며, 반대 영역에 있는 애노드 영역은, 비결정성 산화철·니켈 복합체(a-NiFeOx)에서 물을 산화시켜 산화·환원 전하 균형을 맞출 수 있다. 반대 영역에 있는 비결정성 산화철·니켈 복합체(a-NiFeOx)에서 물을 산화시켜 산화·환원 전하 균형을 맞추고, 광흡수물질로부터 물 산화 활성 전기촉매 표면으로 이동한 정공은, 물을 산화시켜 산소를 생성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the photoelectrochemical reaction system may provide reduction activity of at least one of oxygen, nitrogen, and carbon in the photocathode. For example, hydrogen peroxide can be generated through the oxygen reduction activity. That is, referring to Figure 1, oxidized buckypaper (O-BP), which can efficiently generate hydrogen peroxide through oxygen reduction, and organic-inorganic mixed perovskite that can efficiently utilize light energy. It is an active hydrogen peroxide generation system that includes a photocathode fused with , and the anode region in the opposite region can balance oxidation and reduction charges by oxidizing water in the amorphous iron oxide/nickel complex (a-NiFeO x ). The oxidation/reduction charge is balanced by oxidizing water in the amorphous iron/nickel oxide complex (a- NiFeO Holes that move to the surface can oxidize water and generate oxygen.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광전기화학반응 시스템은, 0.740 μmol min-1 cm-2 이상; 0.750 μmol min-1 cm-2 이상; 또는 0.751 μmol min-1 cm-2 이상의 H2O2 생산율 및 1.45 % 이상; 1.46 % 이상; 1.463 % 이상의 SCC를 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the photoelectrochemical reaction system is 0.740 μmol min -1 cm -2 or more; 0.750 μmol min -1 cm -2 or more; or H 2 O 2 production rate of more than 0.751 μmol min -1 cm -2 and more than 1.45%; 1.46% or more; It can provide an SCC of 1.463% or more.

본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위, 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.Although the present invention is described with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited thereto, and is to be understood without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. The present invention can be modified and changed in various ways.

실시예 Example

산화된 CNT(O-CNT)의 제조 Preparation of oxidized CNTs (O-CNTs)

다중벽 CNT(MWCNT)는, 통상적으로 알려진 방법에 따라 산 처리에 의해 산화하였다. MWCNT(400 mg)와 질산(60 wt%, 400 mL)을 500 mL 3구 둥근 바닥 유리 플라스크에 첨가하였다. 다음으로, 플라스크에 자기 교반기 및 온도계를 장착하고 환류 시스템 내의 온도 조절기에 두었다. 온도를 80 ℃에서 48 시간 동안 유지한 후, 슬러리를 실온(~25 ℃)으로 냉각하고, 붓고, 여과하고, 중성 pH에 도달할 때까지 증류수로 여러 번 세척하였다. 마지막으로, 샘플을 진공 오븐에서 60 ℃에서 밤새 건조시켰다.Multi-walled CNTs (MWCNTs) were oxidized by acid treatment according to a commonly known method. MWCNTs (400 mg) and nitric acid (60 wt%, 400 mL) were added to a 500 mL three-neck round bottom glass flask. Next, the flask was equipped with a magnetic stirrer and thermometer and placed on a temperature controller in the reflux system. After maintaining the temperature at 80 °C for 48 h, the slurry was cooled to room temperature (~25 °C), poured, filtered, and washed several times with distilled water until neutral pH was reached. Finally, the samples were dried in a vacuum oven at 60 °C overnight.

탄소 재료 시트 준비Carbon material sheet preparation

탄소 분말(50 mg)과 150 mL의 DMF(150 mL, Sigma-Aldrich, 무수, 99%)를 250 mL chemical storage bottle 에 넣고 15분 동안 25 % 진폭으로 팁 초음파 처리한 후 bath ultrasonication 2 시간 동안 분산시켰다. 분산액을 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인(0.45 μm 기공 크기)을 통해 여과하고 아세톤(600 mL)으로 3회에 걸쳐 세척하였다. 다음으로, as-formed 탄소 시트를 멤브레인에서 조심스럽게 떼어내고, 60 ℃의 진공 오븐에서 밤새 건조시켰다.Carbon powder (50 mg) and 150 mL of DMF (150 mL, Sigma-Aldrich, anhydrous, 99%) were placed in a 250 mL chemical storage bottle, tip sonicated at 25% amplitude for 15 minutes, and then dispersed by bath ultrasonication for 2 hours. I ordered it. The dispersion was filtered through a polytetrafluoroethylene membrane (0.45 μm pore size) and washed three times with acetone (600 mL). Next, the as-formed carbon sheet was carefully peeled off from the membrane and dried in a vacuum oven at 60 °C overnight.

촉매 전극 준비 Catalytic electrode preparation

전극을 준비하기 위해 탄소 시트(약 1.0 × 0.7 cm2)를 절단하여 FM으로 덮인 유리 위에 놓고 절연 구리 와이어와 은 전도성 페인트로 인터페이스하고 에폭시 수지로 덮어 0.25 cm2 면적(geometrical area)을 형성하였다. To prepare the electrode, a carbon sheet (approximately 1.0 × 0.7 cm 2 ) was cut and placed on FM-covered glass, interfaced with insulating copper wire and silver conductive paint, and covered with epoxy resin to form a geometrical area of 0.25 cm 2 .

페로브스카이트 광캐소드 제작 Fabrication of perovskite photocathode

PbI2(Sigma-Aldrich, 약 1 M, >99% purity) 전구체는 9:1(v:v) DMF 및 DMSO(Sigma Aldrich, 무수, 99%)에 PbI2 분말(정확히 462 mg)을 용해시켜 제조하였다. 클로로벤젠(Sigma-Aldrich, 무수, 99 %)에 녹인 PCBM 용액(20 mg mL-1)을 70 ℃에서 밤새 일정하게 교반하면서 유지하고, MAI(10 mg mL-1; a great solar cell)는 2-프로판올(Sigma Aldrich, anhydrous, 99%)에 용해하였다. 혼합 할로겐화물 페로브스카이트 필름의 역 구조(inverse structure)는 이전에 보고된 2단계 스핀 코팅 방법을 제작하였다. 즉, PEDOT:PSS를 1 × 1.5 cm2 FTO 유리 기판에 4,000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하고 120 ℃에서 20분 동안 어닐링하여 HTL을 형성하였다. The PbI 2 (Sigma-Aldrich, approximately 1 M, >99% purity) precursor was prepared by dissolving PbI 2 powder (exactly 462 mg) in 9:1 (v:v) DMF and DMSO (Sigma Aldrich, anhydrous, 99%). Manufactured. A PCBM solution (20 mg mL -1 ) dissolved in chlorobenzene (Sigma-Aldrich, anhydrous, 99%) was maintained at 70°C overnight with constant stirring, and the MAI (10 mg mL -1 ; a great solar cell) was 2. -Dissolved in propanol (Sigma Aldrich, anhydrous, 99%). The inverse structure of the mixed halide perovskite film was fabricated using a previously reported two-step spin coating method. That is, PEDOT:PSS was spin-coated on a 1 × 1.5 cm 2 FTO glass substrate at 4,000 rpm for 60 seconds and annealed at 120 °C for 20 minutes to form HTL.

상대 습도는 ~20%로 유지하였다. 다음 샘플을 즉시 N2로 채워진 글로브 박스로 옮겼다. 샘플은 각각 약 5분 동안 핫 플레이트에서 146 ± 4 ℃로 예열되고, 150 μL의 뜨거운 PbI2 잉크(150 μL)를 분배하여 440 rpm s-1의 가속으로 2,200rpm에서 20초 동안 스핀 코팅하고, 다음으로 밀폐된 페트리 접시에 7분 동안 두었다. 다음으로, 필름을 70 ℃에서 15분 동안 어닐링한 다음 글러브 박스 온도(약 27-29 ℃)로 냉각하였다. 암갈색 MAPbI3 필름은 MAI(0.063 M, 350 μL)를 0 rpm에서 40초 동안, 2,700 rpm에서 20초 동안 분배하여 FTO에서 남은 프로판올을 씻어내어 현성된다. 스핀 코팅 후 필름을 85 ℃에서 10분 동안 어닐링하였다. 이어서, PCBM-클로로벤젠 용액(80 μL)을 2,000 rpm에서 30초 동안 증착하여 완성된 구조를 얻었다. 촉매에 의한 더 나은 전자 추출을 위해 PEIE 용액(2-프로판올 5 mL 중 0.1 mL)의 얇은 층을 3,000 rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하였다. 열화로부터 페로브스카이트를 보호하기 위해 FM 시트(1.0 × 0.7 cm2)를 섭씨 ≤ 70 ℃ 이하의 온도에서 페로브스카이트층상에 녹이고 글러브 박스 안에 밤새 보관하여 건조하였다. Relative humidity was maintained at ~20%. The sample was then immediately transferred to a glove box filled with N 2 . Samples were each preheated to 146 ± 4 °C on a hot plate for approximately 5 min, dispensed with 150 μL of hot PbI 2 ink (150 μL), and spin-coated at 2,200 rpm for 20 s with an acceleration of 440 rpm s -1 ; Next, it was placed in an airtight Petri dish for 7 minutes. Next, the film was annealed at 70 °C for 15 minutes and then cooled to glove box temperature (approximately 27-29 °C). The dark brown MAPbI 3 film was activated by dispensing MAI (0.063 M, 350 μL) at 0 rpm for 40 s and 2,700 rpm for 20 s to wash away the remaining propanol from the FTO. After spin coating, the film was annealed at 85 °C for 10 minutes. Then, PCBM-chlorobenzene solution (80 μL) was deposited at 2,000 rpm for 30 seconds to obtain the completed structure. For better electron extraction by the catalyst, a thin layer of PEIE solution (0.1 mL in 5 mL of 2-propanol) was spin-coated at 3,000 rpm for 30 s. To protect the perovskite from deterioration, an FM sheet (1.0 × 0.7 cm 2 ) was melted on the perovskite layer at a temperature below ≤ 70 °C and dried by storing it in a glove box overnight.

페로브스카이트 장치 통합 Perovskite device integration

광캐소드를 준비하기 위해 O-BP 시트(약 1.0 × 0.7 cm2)를 용융된 FM/PSK 광캐소드에 정밀하게 접합하고, 전기 촉매와 FTO 기판 후면에 0.25 cm2의 기하학적 영역을 제공하기 위해 에폭시 수지로 동시에 덮었다. FTO 기판에 마지막으로 절연 동선을 연결하여 소자 제작을 완료하였다.To prepare the photocathode, O-BP sheets (approximately 1.0 × 0.7 cm 2 ) were precisely bonded to the molten FM/PSK photocathode and epoxy coated to provide a geometric area of 0.25 cm 2 on the back of the electrocatalyst and FTO substrates. covered simultaneously with resin. Finally, the insulated copper wire was connected to the FTO board to complete device manufacturing.

aa -NiFeO-NiFeO xx /CP 애노드/CP anode

a-NiFeOx/CP 애노드는, 철(III) 에틸헥사노에이트(iron (III) ethylhexanoate, 0.0358 g, 50% w/w in mineral spirits, Strem Chemicals) 및 니켈(II) 에틸헥사노에이트(nickel (II) ethylhexanoate, 0.0169 g, 78 % (w/w) in 2-ethylhexanoic acid, Strem Chemicals)를 바이알에 넣고 헥산(0.1520 g)과 혼합하였다. 다음으로, 형성된 용액의 일부(0.1 mL)를 헥산(희석률 1:10)으로 희석하였다. 다음으로, 전구체 용액의 일부(정확히 2.5 μL)를 CP (0.25 cm2)에 직접 드롭 캐스트하였다. 공기 중에서 5분 동안 건조시킨 후 전극을 100 ℃의 오븐에서 1시간 동안 어닐링하였다. 마지막으로 와이어 노출 영역을 J-B Weld epoxy-steel resin로 캡슐화하여 구리 와이어를 애노드에 연결하여 0.25 cm2 의 면적을 확보하였다. The a-NiFeOx/CP anode was composed of iron (III) ethylhexanoate (0.0358 g, 50% w/w in mineral spirits, Strem Chemicals) and nickel (II) ethylhexanoate ( II) ethylhexanoate (0.0169 g, 78 % (w/w) in 2-ethylhexanoic acid, Strem Chemicals) was placed in a vial and mixed with hexane (0.1520 g). Next, a portion (0.1 mL) of the formed solution was diluted with hexane (dilution 1:10). Next, a portion of the precursor solution (exactly 2.5 μL) was drop-cast directly onto the CP (0.25 cm 2 ). After drying in air for 5 minutes, the electrode was annealed in an oven at 100°C for 1 hour. Finally, the exposed wire area was encapsulated with JB Weld epoxy-steel resin and the copper wire was connected to the anode to secure an area of 0.25 cm 2 .

전기화학적 측정 Electrochemical measurements

전기화학적 측정은, Nafion 117 멤브레인(DuPont)에 의해 분리된 캐소드와 애노드가 있는 표준 3전극 시스템에서 수행하였다. HO2 - 음이온을 농축하기 위해 Nafion proton exchange membrane을 선택했으며, Pt mesh (1 × 1 cm2), Hg/HgO 및 carbon sheet를 각각 카운터 전극, 기준 전극 및 작업 전극으로 사용하였다. 본 실험에서 모든 전위는 Hg/HgO 전극에 대해 측정되었으며 방정식 E(V vs. RHE) = E(V vs. Hg/HgO) + 0.0592 × pH + 0.118에 의해 RHE 기준 척도로 변환되었다. 테스트하기 전에 Nafion 117 멤브레인을 ~ 2시간 동안 증류수로 적셔 충분히 팽창시켰다. 전기 분해(electrolysis) 이전에 전해액은 반응 시스템의 잔류 공기를 제거하기 위해 최소 10분 동안 고순도 O2(99.995 %)로 퍼징하였다. 전기분해 동안, 고순도 O2(99.995 %)가 자기 교반과 함께 캐소드 구획으로 연속적으로(50 cc min-1의 비율로) 공급되었다. 비교를 위해, 동일한 실험 조건에서 고순도 Ar(99.999%) 포화 전해액에서 전기분해 시험도 수행하였다. 모든 전류 밀도는 전극의 기하학적 영역으로 정규화하였다. Electrochemical measurements were performed in a standard three-electrode system with cathode and anode separated by a Nafion 117 membrane (DuPont). Nafion proton exchange membrane was selected to concentrate HO 2 - anions, and Pt mesh (1 × 1 cm 2 ), Hg/HgO, and carbon sheet were used as counter electrode, reference electrode, and working electrode, respectively. In this experiment, all potentials were measured relative to the Hg/HgO electrode and converted to the RHE reference scale by the equation E (V vs. RHE) = E (V vs. Hg/HgO) + 0.0592 × pH + 0.118. Before testing, the Nafion 117 membrane was soaked with distilled water for ~2 hours to sufficiently swell. Before electrolysis, the electrolyte was purged with high purity O 2 (99.995%) for at least 10 minutes to remove residual air in the reaction system. During electrolysis, high purity O 2 (99.995 %) was fed continuously (at a rate of 50 cc min -1 ) to the cathode compartment with magnetic stirring. For comparison, electrolysis tests were also performed in high purity Ar (99.999%) saturated electrolyte under the same experimental conditions. All current densities were normalized to the geometric area of the electrode.

PEC측정 PEC measurement

활성(특히 JV 곡선)을 확인하기 위한 광전기화학적 측정은 반쪽 전지 반응기를 사용하는 표준 3전극 시스템에서 수행되었다. Pt 메쉬(1 × 1 cm2), Hg/HgO(1M NaOH) 및 O-BP/FM/PSK 광캐소드를 각각 카운터, 기준 및 작업 전극으로 사용하였다. Photoelectrochemical measurements to determine activity (particularly JV curve) were performed in a standard three-electrode system using a half-cell reactor. Pt mesh (1 × 1 cm 2 ), Hg/HgO (1 M NaOH), and O-BP/FM/PSK photocathode were used as counter, reference, and working electrodes, respectively.

본 실험에서 모든 전위는, Hg/HgO 기준 전극에 대해 측정되었으며 방정식 E(V vs. RHE) = E(V vs. Hg/HgO) + 0.0592 × pH + 0.118에 의해 RHE 기준 척도로 변환되었다. 성능을 확인하기 위한 PEC 측정(특히 장기 안정성을 시각화하기 위해)은, 2구획 반응기(two-compartment reactor)의 표준 2전극 시스템에서 수행되었다. 애모드 챔버과 캐소드 챔버 모두에 0.1M KOH 용액(7.5 mL)이 들어 있는 2구획 반응기를 Nafion 117 멤브레인으로 분리하고, 반응 전 2시간 동안 탈이온수에서 유지하여 활성화하였다. a-NiFeOx/CP 애노드와 O-BP/FM/PSK 광캐소드는, 각각 카운터 전극과 작업 전극으로 사용되었다. All potentials in this experiment were measured relative to the Hg/HgO reference electrode and converted to the RHE reference scale by the equation E (V vs. RHE) = E (V vs. Hg/HgO) + 0.0592 × pH + 0.118. PEC measurements to confirm performance (especially to visualize long-term stability) were performed in a standard two-electrode system in a two-compartment reactor. A two-compartment reactor containing 0.1 M KOH solution (7.5 mL) in both the amod chamber and the cathode chamber was separated by a Nafion 117 membrane and activated by maintaining it in deionized water for 2 hours before reaction. a -NiFeO x /CP anode and O-BP/FM/PSK photocathode were used as counter electrode and working electrode, respectively.

광전기분해(photoelectrolysis) 전에 전해액을 고순도 O2(99.995%)로 최소 30분(유속 50 cc min-1) 동안 퍼지하여 반응 시스템의 잔류 공기를 제거하였다. 또한, photoelectrolysis 동안 고순도 O2를 전기촉매 표면 근처에서 캐소드 구획으로 자기 교반과 함께 연속적으로 공급하여 물질 전달 제한을 극복하였다. 비교를 위해 동일한 실험 조건에서 고순도(99.999 %) Ar-포화 전해액에서 전기분해 실험도 수행하였다. 모든 전류밀도는, 광전극의 기하학적 면적으로 정규화되었고, 측정 중 스캔 속도는 5 mV s-1로 유지되었다. 300 W 크세논 램프를 사용하여 정수 필터로 시뮬레이션된 1-sun 조사를 생성하였다. 실리콘 기준 셀(certified by Newport Corporation; PEC-SI01, Peccell Technologies)을 크세논 램프의 빔 광과 평행하게 배치하여 FTO 측면(후면 조명)에서 광도를 1-sun으로 조정하였다. Before photoelectrolysis, the electrolyte was purged with high purity O 2 (99.995%) for at least 30 minutes (flow rate 50 cc min -1 ) to remove residual air in the reaction system. Additionally, mass transfer limitations were overcome by continuously supplying high-purity O 2 with magnetic stirring from near the electrocatalyst surface to the cathode compartment during photoelectrolysis. For comparison, electrolysis experiments were also performed in high purity (99.999%) Ar-saturated electrolyte under the same experimental conditions. All current densities were normalized to the geometric area of the photoelectrode, and the scan rate was maintained at 5 mV s -1 during measurements. A 300 W xenon lamp was used to generate simulated 1-sun radiation with a water filter. A silicon reference cell (certified by Newport Corporation; PEC-SI01, Peccell Technologies) was placed parallel to the beam light of the xenon lamp to adjust the light intensity to 1-sun on the FTO side (backside illumination).

PEC HPEC H 22 OO 22 검출 및 정량화 Detection and Quantification

H2O2 농도는, 캐소드액에서 일정한 간격으로 원하는 부피의 분취액을 수집하고 측정하기 전에 냉장고에 보관한 후 결정하였다. 일반적으로 사용되는 N,N-디에틸-1,4-페닐렌-디아민 설페이트(DPD, N,N-diethyl-1,4-phenylene-diamine sulphate)-과산화효소(POD, peroxidase) 방법을 사용하여 551 nm에서 농도를 결정하였다. 즉, DPD(50 mg, ≥98.0%, Sigma-Aldrich) 및 POD(5 mg, horseradish, Sigma-Aldrich)를 각각 0.1 N H2SO4 (5 mL) 및 탈이온수(5 mL)에 용해시키고 5 ℃에서 암실에 보관하였다. 마지막으로, 0.1 M 인산나트륨 완충액(sodium phosphate buffe, 2.7 mL, ~pH 6.0), DPD(0.05 mL) 및 POD(0.05 mL) 용액의 일부, 및 음극액(0.2 mL)을 혼합하였다. 생성된 H2O2의 농도에 따라 샘플을 0.1 M KOH로 희석하여 검출 한계를 초과하지 않도록하였다. 정량화를 위해 표준 보정 곡선을 농도 및 흡광도에 대해 플롯팅했으며(Supplementary Fig. 29a,b) 이에 따라 생성된 농축 H2O2의 값이 시간의 함수로 결정된다. IPCE 측정은 300 W 크세논 램프를 광원으로 사용하고 대역폭 제한이 20 nm인 단색기를 사용하여 수행되었다. 참조광의 강도는 IPCE 측정 전에 보정되었다. The H 2 O 2 concentration was determined by collecting aliquots of the desired volume from the catholyte at regular intervals and storing them in the refrigerator before measurement. Using the commonly used N,N -diethyl-1,4-phenylene-diamine sulfate (DPD, N , N -diethyl-1,4-phenylene-diamine sulphate)-peroxidase (POD) method Concentration was determined at 551 nm. That is, DPD (50 mg, ≥98.0%, Sigma-Aldrich) and POD (5 mg, horseradish, Sigma-Aldrich) were dissolved in 0.1 NH 2 SO 4 (5 mL) and deionized water (5 mL), respectively, and stored at 5 °C. It was stored in a dark room. Finally, 0.1 M sodium phosphate buffer (2.7 mL, ~pH 6.0), a portion of DPD (0.05 mL) and POD (0.05 mL) solutions, and catholyte (0.2 mL) were mixed. Depending on the concentration of H 2 O 2 produced, the sample was diluted with 0.1 M KOH to ensure that it did not exceed the detection limit. For quantification, a standard calibration curve was plotted against concentration and absorbance (Supplementary Fig. 29a,b), and the value of the resulting concentrated H 2 O 2 was determined as a function of time. IPCE measurements were performed using a 300 W xenon lamp as the light source and a monochromator with a bandwidth limit of 20 nm. The intensity of the reference light was calibrated before IPCE measurements.

산소환원 전기촉매 개발 및 이를 이용한 능동적 과산화수소 생성 시스템Development of oxygen reduction electrocatalyst and active hydrogen peroxide generation system using it

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 산화처리된 버키페이퍼-페로브스카이트 융복합형 광전기촉매를 이용한 능동적 과산화수소 생성 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. Figure 1 shows a conceptual diagram of an active hydrogen peroxide production system using an oxidized buckypaper-perovskite fusion photoelectrocatalyst, according to an embodiment of the present invention.

산화된 버키페이퍼(O-BP)가 있는 역구조 MAPbI3(methylammonium lead triiodide) 페로브스카이트(PSK) 광캐소드와 탄소 종이(CP, carbon paper) 기판이 있는 a-NiFeOx(amorphous-based nickel-iron oxide)이 bias-free H2O2 생산을 위해 연결된다 내장된 구리 와이어는, 광캐소드와 애노드를 연결하여 광생성된 정공-전자 쌍이 폐쇄 회로(closed circuit)에서 흐를 수 있도록 하였다. 용존 O2는, 광캐소드-장착된 O-BP에 의해 H2O2로 환원된다. 산소 발생 반응(OER)은, a-NiFeOx/CP에서 발생한다. 빨간색 화살표는, 전자의 이동 방향을 나타내고, 파란색 화살은 동시에 생성된 정공 방향을 나타낸다. 도 1에서 PCBM ([6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester), PEIE(polyethyleneimine) 및 FTO(fluorine-doped tin oxide)이다. a -NiFeO _ -iron oxide) is connected for bias-free H 2 O 2 production. The embedded copper wire connects the photocathode and anode to allow photogenerated hole-electron pairs to flow in a closed circuit. Dissolved O 2 is reduced to H 2 O 2 by photocathode-equipped O-BP. The oxygen evolution reaction (OER) occurs in a -NiFeO x /CP. The red arrow indicates the direction of electron movement, and the blue arrow indicates the direction of simultaneously generated holes. In Figure 1, they are PCBM ([6,6]-phenyl C 61 butyric acid methyl ester), PEIE (polyethyleneimine), and FTO (fluorine-doped tin oxide).

도 2는, 과산화수소 생성 촉매의 분석 및 성능을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the analysis and performance of the hydrogen peroxide production catalyst.

(a) O-BP의 주사 전자 현미경 사진이며, 삽입 사진은, 폴리테트라플루오로에틸렌 막에서 제거된 O-BP이다(Scale bar, 1 μm). (b) O-BP의 단면 주사 전자 현미경 사진이다(Scale bar, 100 μm). 즉, 시트 계열 촉매의 다공성을 통해 넓은 표면적을 확보 가능하다(도 2의 (a) 및 (b)).(a) This is a scanning electron micrograph of O-BP, and the inset photo shows O-BP removed from the polytetrafluoroethylene membrane (scale bar, 1 μm). (b) This is a cross-sectional scanning electron micrograph of O-BP (Scale bar, 100 μm). In other words, a large surface area can be secured through the porosity of the sheet-based catalyst (Figures 2 (a) and (b)).

(c) BP 및 O-BP의 라만 스펙트럼이다. (c) Raman spectra of BP and O-BP.

(d) BP 및 O-BP의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과이다. BP(e) 및 O-BP(f)의 Deconvoluted carbon 1s spectra이다. (d) XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis results of BP and O-BP. Deconvoluted carbon 1 s spectra of BP(e) and O-BP(f).

즉, 일반적인 CNT보다 산소 환원에 유리한 활성 부위를 확인할 수 있다(도 2의 (c), (d), (e), (f)).In other words, active sites that are more advantageous for oxygen reduction than general CNTs can be identified (Figure 2 (c), (d), (e), and (f)).

도 3은, 과산화수소 생성 촉매의 분석 및 성능을 나타낸 것이다. Figure 3 shows the analysis and performance of the hydrogen peroxide production catalyst.

도 3의 (a) 10 mV s-1 스캔 속도에서 평가된 BP 및 O-BP의 LSV (Capacitive current compensated linear sweep voltammetry)이다. Figure 3 (a) is the LSV (capacitive current compensated linear sweep voltammetry) of BP and O-BP evaluated at a scan rate of 10 mV s -1 .

(b) (c) CPE(controlled potential electrolysis)의 12 시간 동안 생성된 양(n) 및 BP 및 O-BP의 패러데이 효율(FE)이며, 여기서 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다. (b) (c) Quantity produced (n) and Faradaic efficiency (FE) of BP and O-BP during 12 h of controlled potential electrolysis (CPE), where error bars represent standard deviation.

(a-c) -0.6 V vs. RHE 에서 O-BP의 장기 CPE 테스트이며, 모든 실험은, O2 및 주변 조건에서 교반하면서 0.1M KOH 용액(pH 약 13.17)에서 수행되었다. 즉, 일반적인 CNT보다 뛰어난 산소 환원 능력을 확보할 수 있다(도 3의 (a), (b), (c)).(ac) -0.6 V vs. Long-term CPE testing of O-BP in RHE, all experiments were performed in 0.1 M KOH solution (pH ca. 13.17) with stirring in O 2 and ambient conditions. In other words, it is possible to secure oxygen reduction ability superior to that of general CNTs (Figure 3 (a), (b), and (c)).

도 2의 (a)에서 O-CNT는 질산(60 wt%)에서 80 ℃에서 48 시간 동안 CNT를 산 처리하여 합성하였고. BP(Buckypaper) 및 O-BP는, 각각 CNT 및 O-CNT의 여과에 의해 합성되고, BP와 O-BP의 주사 전자 현미경 사진(SEM)과 이미지(삽입)는 서로 밀접하게 연결된 무작위로 자체 정렬된 CNT와 O-CNT를 나타낸다. In Figure 2 (a), O-CNTs were synthesized by acid treating CNTs in nitric acid (60 wt%) at 80°C for 48 hours. Buckypaper (BP) and O-BP are synthesized by filtration of CNTs and O-CNTs, respectively, and scanning electron micrographs (SEM) and images (inset) of BP and O-BP are randomly self-aligned and closely linked to each other. CNTs and O-CNTs are shown.

도 2의 (b)에서 나타낸 바와 같이, BP와 O-BP는, 조밀하게 쌓여 있지만 많은 중간 기공이 있는 높은 표면적을 가지고 있습니다. 화학 구조를 조사하기 위해 Raman 및 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 수행하였다. 라만 스펙트럼(도 2의 (c))은 BP 및 O-BP에 대해 각각 1.08 및 1.14의 D(약 1350cm-1)-대-G(약 1580cm-1) 피크 비율을 갖는다. CNT의 산성 처리는 구조적 무질서를 유발하여 O-CNT에 많은 결함을 생성하고, 자세한 표면 구조를 추가로 조사하기 위해 XPS 분석도 수행하였다(도 2의 (d) 내지 (f)).As shown in Figure 2(b), BP and O-BP are densely packed but have high surface areas with many mesopores. Raman and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyzes were performed to investigate the chemical structure. The Raman spectrum ((c) in FIG. 2) has a D (about 1350 cm -1 )-to-G (about 1580 cm -1 ) peak ratio of 1.08 and 1.14 for BP and O-BP, respectively. Acidic treatment of CNTs caused structural disorder, creating many defects in O-CNTs, and XPS analysis was also performed to further investigate the detailed surface structure (Figures 2(d) to (f)).

도 2의 (d)는, BP 샘플과 비교하여 O-BP에 대해 산소 대 탄소 비율이 증가하므로, CNT가 산 처리 중에 산화됨을 나타낸다. 열중량 분석(TGA) 분석에서 기능화된 탄소 재료(O-BP 및 O-CNT) 관능기의 탈착으로 인한 탄소 재료; 이들의 무게 감소는, 온도가 500 ℃까지 증가했을 때 발생한다. BP(및 O-BP)의 탄소 1s 스펙트럼은, 각각, 284.6 eV(및 284.7 eV), 285.5 eV(및 285.4 eV), 286.4 eV(및 286.7 eV) 및 289.1 eV(및 289.1 eV)이고; 탄소의 특징적인 shakeup line 은, 291.1 eV(및 291.1 eV, 도 2의 (e) 및 도 2의 (f))에서 확인되며, 여기에서 shakeup line 은, 바닥 수준 전자의 여기(π-π* 전이)에 따라 방출된 광전자의 즉각적인 에너지 손실로 인해 발생한다. Figure 2(d) indicates that CNTs are oxidized during acid treatment, as the oxygen to carbon ratio increases for O-BP compared to BP samples. Carbon materials due to desorption of functional groups of functionalized carbon materials (O-BP and O-CNT) in thermogravimetric analysis (TGA) analysis; Their weight loss occurs when the temperature increases to 500 °C. The carbon 1s spectra of BP (and O-BP) are 284.6 eV (and 284.7 eV), 285.5 eV (and 285.4 eV), 286.4 eV (and 286.7 eV), and 289.1 eV (and 289.1 eV), respectively; The characteristic shakeup line of carbon is identified at 291.1 eV (and 291.1 eV, Figure 2 (e) and Figure 2 (f)), where the shakeup line is the excitation of the ground level electron (π-π* transition) ) occurs due to the immediate energy loss of photoelectrons emitted.

이러한 XPS 결과는, O-BP가 2-전자 산소 환원 반응(ORR, two-electron oxygen reduction reaction)에 대한 고도로 활성인 H2O2 생성 부위로 알려진 sp3 탄소와 같은 구조적 장애 및 O-adhering carbon와 같은 작용기를 포함하여 BP보다 더 많은 결함 부위를 가지고 있음을 보여준다. 또한, O-adhering carbon이 증가되어 O-CNT는 탈이온수 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)에서 더 분산 가능하여 O-BP가 BP보다 물과 더 친밀한 상호 작용을 나타낸다. O-BP와 BP의 접촉각이, 각각 25 °와 134 °이며, 이는 O-CNT가 CNT보다 친수성임을 나타낸다. O-CNT는, 또한 CNT보다 0.1M KOH 수용액에서 더 큰 음의 제타 전위를 나타내어 더 쉽게 생성물 분리(O2 + H2O + 2e- →HO2 - + OH-)하고, 더 향상된 H2O2(HO2 - in alkaline solution) 생성을 나타낸다.These XPS results show that O-BP undergoes a two-electron oxygen reduction reaction (ORR, two-electron It shows that it has more defect sites than BP, including structural disorders such as sp3 carbon, which is known to be a highly active H 2 O 2 generation site for oxygen reduction reaction, and functional groups such as O-adhering carbon. Additionally, due to the increase in O-adhering carbon, O-CNTs are more dispersible in deionized water and N,N-dimethylformamide (DMF), indicating that O-BP has a more intimate interaction with water than BP. The contact angles of O-BP and BP are 25° and 134°, respectively, indicating that O-CNT is more hydrophilic than CNT. O-CNTs also exhibit a more negative zeta potential in 0.1 M KOH aqueous solution than CNTs, leading to easier product separation (O 2 + H 2 O + 2e - →HO 2 - + OH - ) and improved H 2 O 2 indicates the formation of (HO 2 - in alkaline solution).

BP 및 O-BP의 ORR 성능을 평가하기 위해 연속 O2 흐름(50 cc min-1) 에서 수용액(0.1 M KOH, pH 약 13.17)에서 BP 및 O-BP의 LSV(capacitive compensated linear sweep voltammetry) 곡선을 획득하였다(도 3의 (a)). O-BP는 BP 보다 높은 개시 전위 및 높은 전류 밀도를 나타낸다. O-BP의 개시 전위는 표준 환원 전위((E° = 0.74 V vs. RHE; possible initially by the Nernst equation) 보다 높다. Capacitive compensated linear sweep voltammetry (LSV) curves of BP and O-BP in aqueous solution (0.1 M KOH, pH approximately 13.17) under continuous O 2 flow (50 cc min -1) to evaluate the ORR performance of BP and O-BP. was obtained (Figure 3(a)). O-BP shows a higher onset potential and higher current density than BP. The onset potential of O-BP is higher than the standard reduction potential ((E° = 0.74 V vs. RHE; possible initially by the Nernst equation).

여기서, 개시 전위는, 0.1 mA cm-2에서의 전위로 정의된다. 더욱이, H2O2 생산에 대한 O-BP의 선택성은, 100%에 근접하고, 이는 0.6 V 이상의 전위에서 BP에 대해 관찰된 것보다 높다(도 3의 (b)). Here, the onset potential is defined as the potential at 0.1 mA cm -2 . Moreover, the selectivity of O-BP for H 2 O 2 production is close to 100%, which is higher than that observed for BP at potentials above 0.6 V (Figure 3(b)).

특히, O-BP는, 인가된 모든 전위에서 BP보다 더 높은 절대량의 H2O2를 생성한다(도 3의 (b)). 상술한 바와 같이, 산 처리는, CNT 표면의 산화를 유도하여 결함 부위가 무질서한 많은 작용기를 생성하여 H2O2에 대한 ORR의 활성과 선택성을 모두 향상시킬 수 있다. 전류 밀도와 FE는, 0.6 V vs. RHE에서 100 % 선택성으로 12시간 동안 안정적이며, 여기서 O-BP는 가장 높은 선택성과 H2O2 양을 보여준다(도 3의 (c)).In particular, O-BP generates a higher absolute amount of H 2 O 2 than BP at all applied potentials (FIG. 3(b)). As described above, acid treatment can induce oxidation of the CNT surface to generate many functional groups with disordered defect sites, thereby improving both the activity and selectivity of ORR for H 2 O 2 . Current density and FE are 0.6 V vs. It is stable for 12 hours with 100% selectivity in RHE, where O-BP shows the highest selectivity and H 2 O 2 amount (Figure 3(c)).

도 4 및 도 5는, 융복합형 광·전기 촉매 성능 및 분석과 물 산화 촉매의 활성도를 나타낸 것이며, O-BP 융복합된 PSK 광캐소드의 특성화 및 ORR 활성에 관련된다. Figures 4 and 5 show the performance and analysis of the fusion photo-electrocatalyst and the activity of the water oxidation catalyst, and are related to the characterization and ORR activity of the O-BP fusion PSK photocathode.

도 4의 (a) 및 (b) 개별 층의 두께를 보여주는 형성된 MAPbI3 PSK의 표면 및 단면 주사 전자 현미경 사진이다. 즉, 광흡수 물질의 표면 및 단면 구조를 확인 가능할 수 있다(도 4의 (a) 및 (b)). Figure 4(a) and (b) are scanning electron micrographs of the surface and cross-section of the formed MAPbI 3 PSK showing the thickness of the individual layers. That is, the surface and cross-sectional structure of the light-absorbing material can be confirmed (Figures 4 (a) and (b)).

도 5의 (a)는, 애노드 이동(anodic shift)을 나타내는 O-BP 전기 촉매, 필즈 금속(FM)/PSK 광캐소드 및 복합형 O-BP/FM/PSK 광캐소드 장치의 J-E 응답을 나타낸 것이다. 복합형 O-BP/FM/PSK 광캐소드 장치는 1-sun 및 1.5G의 air mass 하에서 시뮬레이션되었으며 평균 순환 전압전류도(Avg. CV) 스캔은 O2 공급이 있는 경우 빛이 없고 광 조사가 없는 상태에서 측정된 것이다(빨간색 화살표는 실험 중 스캔 방향을 나타냄).Figure 5(a) shows the JE response of the O-BP electrocatalyst, Fields Metal (FM)/PSK photocathode, and composite O-BP/FM/PSK photocathode device showing anodic shift. . A composite O-BP/FM/PSK photocathode device was simulated under 1-sun and an air mass of 1.5 G, and average cyclic voltammogram (Avg. CV) scans were performed in the absence of light with O 2 supply and without light irradiation. (red arrow indicates the scan direction during the experiment).

즉, 융복합형 광·전기촉매를 이용하여 산소를 환원시킬 경우 약 1 V의 개시전압 확보하여 1.77 V의 산소환원 개시전압을 보여준다(도 5의 (a)).In other words, when oxygen is reduced using a fusion photo-electrocatalyst, an initiation voltage of about 1 V is secured, showing an oxygen reduction initiation voltage of 1.77 V (Figure 5(a)).

도 5의 (b)는, 파장-의존 스펙트럼 응답(즉, IPCE (incident-photon-to-current efficiency)) 및 0 V vs. RHE에서 융복합형 장치의 상응하는 통합 광전류 밀도이다. 즉, 유·무기 페로브스카이트를 이용하여 가시 광선 영역에서도 뛰어난 광전류 전환 효율을 보여준다.Figure 5(b) shows the wavelength-dependent spectral response (i.e., IPCE (incident-photon-to-current efficiency)) and 0 V vs. is the corresponding integrated photocurrent density of the fused device in RHE. In other words, using organic and inorganic perovskite, it shows excellent photocurrent conversion efficiency even in the visible light range.

도 5의 (c)는, 교반 없이 a-NiFeOx/CP 애노드의 J-E 반응이며, 삽입된 도면은, OER에 대한 정확한 과전위를 나타낸다.Figure 5 (c) is the JE reaction of a -NiFeO x /CP anode without stirring, and the inset shows the exact overpotential for OER.

도 5의 (d)는, 3전극 설정에서 수행된 a-NiFeOx/CP 애노드의 시간 전위차계 테스트(chronopotentiometry test) 결과이다. Figure 5 (d) is the result of a chronopotentiometry test of a -NiFeO x /CP anode performed in a three-electrode setting.

도 5의 의 (a-d)에서 0.1M KOH 용액(pH 약 13.17)에서 스캔 속도가 5 mV s-1인 주변 조건에서 실험을 수행하였고, 모든 스케일 바는 1 μm로 동일하다. 즉, 물 산화 촉매의 경우 1.52 V의 개시전압에 및 고안정성을 확인할 수 있다(도 5의 (c), (d)).In (a-d) of Figure 5, the experiment was performed under ambient conditions with a scan rate of 5 mV s -1 in 0.1 M KOH solution (pH about 13.17), and all scale bars are equal to 1 μm. That is, in the case of the water oxidation catalyst, high stability can be confirmed at an initiation voltage of 1.52 V (Figures 5 (c) and (d)).

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 능동적 과산화수소 생성 확인 및 보고된 능동적 과산화수소 생성 시스템의 성능을 비교한 것이다. 융복합형 광·전기 촉매와 물 산화 촉매를 연결하여 능동적 과산화수소 생성이 가능함을 개시전압을 통해 확인할 수 있고, 능동적 과산화수소 생성 확인 및 보고된 능동적 과산화수소 생성 시스템의 성능 비교한 것이다.Figure 6 compares the performance of confirmed and reported active hydrogen peroxide generation systems, according to one embodiment of the present invention. It can be confirmed through the starting voltage that active hydrogen peroxide generation is possible by connecting a fusion photo-electrocatalyst and a water oxidation catalyst. Active hydrogen peroxide generation is confirmed and the performance of the reported active hydrogen peroxide generation system is compared.

도 6의 (a)는, 생성된 태양광 H2O2에 대해 a-NiFeOx/CP 애노드와 O-BP/FM/PSK 광캐소드의 통합 시스템의 중첩에서 얻은 작동점은, 캐소드액 내에서 태양광 H2O2의 생산을 위한 ~2.51 mA cm-2 의 광전류를 제공한다. Figure 6 (a) shows that the operating point obtained from the overlap of the integrated system of a -NiFeO x /CP anode and O-BP/FM/PSK photocathode for the generated solar H 2 O 2 is Provides a photocurrent of ~2.51 mA cm -2 for the production of solar H 2 O 2 .

도 6의 (b)는, 시뮬레이션된 1-sun 조건의 2전극 설정에서 융복합 O-BP/FM/PSK 장치의 보조되지 않은 H2O2 생성(n)은 12 동안 0 V에서 열화 없이 약 442 ± 15.2 μmol cm-2의 H2O2를 지속적으로 생성할 수 있다. 오차 막대는 n H2O2 및 FE(%)를 나타내는 5개의 융복합 장치의 평균 데이터를 기반으로 한 표준 편차를 나타낸다. 즉, 융복합형 광·전기 촉매와 물 산화 촉매를 연결하여 능동적 과산화수소 생성이 가능함을 실험적으로 증명한 것이다(도 6의 (a) 및 (b)).Figure 6 (b) shows that the unassisted H 2 O 2 production (n) of the fusion O-BP/FM/PSK device in the two-electrode setup under simulated 1-sun conditions is approximately without degradation at 0 V for 12 days. 442 ± 15.2 μmol cm -2 of H 2 O 2 can be continuously generated. Error bars represent standard deviation based on average data from five fusion devices representing nH2O2 and FE (%). In other words, it was experimentally proven that active hydrogen peroxide production is possible by connecting a fusion photo-electric catalyst and a water oxidation catalyst (FIG. 6 (a) and (b)).

도 6의 (c) 왼쪽 y축에 태양광 H2O2의 생성 비율을 보여주는 그래프, 오른쪽 y축에 해당 태양광에서 화학 물질로의 변환 효율((Solar to chemical efficiency, SCC); %)이 표시된다. 가장 높은 SCC 효율은, 반응 2시간 후에 최고조에 해당된다. 즉, 본 연구를 통해 개발한 능동적 과산화수소 생성 시스템은, 현재까지 개발된 시스템 중 가장 뛰어난 연료 전환 효율을 보여준다(도 6의 (c)).In Figure 6 (c), a graph showing the production rate of solar H 2 O 2 on the left y-axis, and the conversion efficiency (Solar to chemical efficiency, SCC); %) from the corresponding solar light to chemical substances on the right y-axis. displayed. The highest SCC efficiency peaks after 2 hours of reaction. In other words, the active hydrogen peroxide generation system developed through this study shows the highest fuel conversion efficiency among systems developed to date (Figure 6(c)).

본 발명은, 물 침투를 방지하기 위해 필즈 금속(Field's Metal, FM)과 결합될 때 보호층 및 H2O2 생산을 위한 선택적 전기촉매(electrocatalyst)로 작용하는, 산화-버키페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)를 사용하여 고성능 무기-유기 페로브스카이트(perovskite, PSK) 광전극을 성공적으로 부동태화하는데 성공하였다. O-BP 전기촉매의 H2O2 생산 선택성은, 100 %(Faradaic efficiency, FE = 100%)에 근접했으며, 반응 시스템에 새로운 전해질을 주기적으로 공급하여 100 시간 동안 우수한 안정성을 보였다. 또한, O-BP/FM/PSK 광캐소드와 a-NiFeOx 애노드로 구성된 2전극 시스템을 사용하여 비보조 태양광 H2O2 생산을 시연했으며, 이는 현재까지 광전극 시스템에 대해 보고된 가장 높은 값인 약 1.463 %의 SCC를 나타낸다. 또한 이 시스템은, 100 % H2O2 생산 선택성을 가지면서 1-sun 조명 하에서 45 시간 동안 안정적이다. PSK, ETL, HTL 및 전기촉매 구성요소를 최적화하여 전체 시스템의 SCC(%) 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이 부동태화 전략은, PSK 광전극의 전극 촉매를 간단히 변경하여 CO2 및 N2 환원과 같은 다양한 반응에 적용할 수 있습니다. 따라서, 본 발명은, 탄소 기반 연료 응용 프로그램 및 NH3를 위한 다른 가치있는 태양광 화학 물질을 효율적으로 생산하기 위한 전략을 제공할 수 있다. The present invention provides an oxidized-bucky paper (O-BP), which, when combined with Field's Metal (FM) to prevent water ingress, acts as a protective layer and a selective electrocatalyst for H 2 O 2 production. , oxidised buckypaper) was used to successfully passivate high-performance inorganic-organic perovskite (PSK) photoelectrodes. The H 2 O 2 production selectivity of the O-BP electrocatalyst was close to 100% (Faradaic efficiency, FE = 100%), and it showed excellent stability for 100 hours by periodically supplying new electrolyte to the reaction system. Additionally, we demonstrated unassisted solar H 2 O 2 production using a two-electrode system consisting of an O-BP/FM/PSK photocathode and an a-NiFeOx anode, which is the highest value reported for a photoelectrode system to date. It represents an SCC of approximately 1.463%. Additionally, this system is stable for 45 hours under 1-sun illumination with 100% H 2 O 2 production selectivity. By optimizing PSK, ETL, HTL and electrocatalyst components, the SCC (%) and stability of the overall system can be further improved. Additionally, this passivation strategy can be applied to various reactions, such as CO 2 and N 2 reduction, by simply changing the electrocatalyst of the PSK photoelectrode. Accordingly, the present invention may provide a strategy for efficiently producing other valuable solar chemicals for carbon-based fuel applications and NH 3 .

본 발명은, H2O2 생산을 위한 전기촉매로 선택적이고 안정적인 산화-버키페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)와 필즈 금속(Field's Metal, FM)에 의해서 부동태화되는 고효율 무기-유기 페로브스카이트(perovskite, PSK)(예: MAPbI3) 기반 광캐소드를 제공할 수 있다. The present invention is a highly efficient inorganic-organic perovskite that is passivated by selective and stable oxidized buckypaper (O-BP) and Field's Metal (FM) as an electrocatalyst for H 2 O 2 production. A photocathode based on perovskite (PSK) (e.g. MAPbI 3 ) can be provided.

본 발명에서 무기-유기 페로브스카이트(perovskite, PSK)는, FM 연결된 O-BP 전기 촉매에 의해 효율적으로 보호될 수 있다. O-BP는, 알려진 효율적인 H2O2 전기촉매인 산화 탄소 나노튜브(O-CNT, oxidised carbon nanotubes)를 여과하여 제작될 수 있고, O-BP의 가교된 O-CNT 구조는 선택적이고 효율적인 전기 촉매 역할을 할 수 있다. FM(약 65 ℃에서 녹고 상온에서 고형화)은, PSK 필름을 O-BP에 단단히 부착하는 데 사용되지만, 또한, 이들 사이의 전하 이동을 촉진하고 수분 침투로부터 PSK 필름을 위한 보호층 기능을 제공할 수 있다. 이러한 복합 시스템은, 몇분 내에 활성을 잃는 비 비동태화 PSK 층과 비교하여 장시간 동안 안정성을 보여준다. 또한, 약 0.751 μmol min-1 cm-2의 H2O2 생산율과 약 1.463 %의 SCC가 달성되었으며, 이는 지금까지 보고된 광전기촉매 시스템을 통한 태양광 H2O2 생산에 대한 가장 높은 값에 해당된다. In the present invention, inorganic-organic perovskite (PSK) can be efficiently protected by FM coupled O-BP electrocatalyst. O-BP can be produced by filtering oxidised carbon nanotubes (O-CNT), which are known efficient H 2 O 2 electrocatalysts, and the cross-linked O-CNT structure of O-BP provides selective and efficient electricity. It can act as a catalyst. FM (melts at approximately 65 °C and solidifies at room temperature) is used to securely adhere the PSK film to the O-BP, but can also facilitate charge transfer between them and provide a protective layer for the PSK film against moisture penetration. You can. This composite system shows stability over long periods of time compared to the non-passivated PSK layer, which loses its activity within a few minutes. Additionally, a H 2 O 2 production rate of approximately 0.751 μmol min -1 cm -2 and an SCC of approximately 1.463% were achieved, which are among the highest values for solar H 2 O 2 production via a photoelectrocatalytic system reported to date. It applies.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form than the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Adequate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

Claims (16)

투명전극층; 및
상기 투명전극층 상에 형성된 광전기 촉매층;
을 포함하고,
상기 광전기 촉매층은,
산화처리된 버키 페이퍼(O-BP, oxidised buckypaper)를 포함하는 전기촉매층; 및
유무기 페로브스카이트층을 포함하는 광흡수층;
을 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
Transparent electrode layer; and
A photoelectric catalyst layer formed on the transparent electrode layer;
Including,
The photoelectrocatalyst layer is,
An electrocatalyst layer containing oxidized buckypaper (O-BP); and
A light absorption layer including an organic-inorganic perovskite layer;
which includes,
Optoelectric composite electrode.
제1항에 있어서,
상기 전기촉매층 및 상기 광흡수층 사이에 필즈 금속을 포함하는 보호층;
을 더 포함하고,
상기 보호층은, 상기 전기촉매층의 일면에 형성된 것인,
광전기 복합전극.
According to paragraph 1,
a protective layer containing fields metal between the electrocatalyst layer and the light absorption layer;
It further includes,
The protective layer is formed on one side of the electrocatalyst layer,
Optoelectric composite electrode.
제2항에 있어서,
상기 필즈 금속 중 비스무스 : 인듐 : 주석의 질량비(w/w)는,
31 내지 33 : 50 내지 52 : 16 내지 17인 것인,
광전기 복합전극.
According to paragraph 2,
The mass ratio (w/w) of bismuth: indium: tin among the Fields metals is,
31 to 33:50 to 52:16 to 17,
Optoelectric composite electrode.
제1항에 있어서,
상기 산화처리된 버키 페이퍼는,
50 wt% 이상의 산 수용액 내에서 50 ℃ 내지 100 ℃ 온도에서 산처리된 CNT를 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
According to paragraph 1,
The oxidized bucky paper is,
Comprising CNTs acid-treated at a temperature of 50 ° C to 100 ° C in an aqueous acid solution of 50 wt% or more,
Optoelectric composite electrode.
제1항에 있어서,
상기 광전기 촉매층은,
정공수송층, 전자수송층 및 전하수집층 중 적어도 하나
를 더 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
According to paragraph 1,
The photoelectrocatalyst layer is,
At least one of a hole transport layer, an electron transport layer, and a charge collection layer
which further includes,
Optoelectric composite electrode.
제5항에 있어서,
상기 정공수송층은,
PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), PANI:PSS(폴리아닐린:폴리(4-스티렌설포네이트), PANI:CSA(폴리아닐린: 캡퍼설폰산), PDBT(폴리(4,4'-디메톡시비티오펜), 폴리티오페닐 렌비닐렌(polythiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
According to clause 5,
The hole transport layer is,
PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), PANI:PSS (polyaniline:poly(4-styrenesulfonate), PANI:CSA (polyaniline:cappersulfonic acid), PDBT (poly(4,4'-dimethoxybithiophene), polythiophenylenevinylene, polyvinylcarbazole, poly-p-phenylenevinylene and their derivatives Containing at least one selected from the group consisting of,
Optoelectric composite electrode.
제5항에 있어서,
상기 전자수송층은,
풀러렌(C60), 풀러렌(C70), 풀러렌(C80), PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)(C60), PCBM(C70), PCBM(C80), ThCBM((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
According to clause 5,
The electron transport layer is,
Fullerene (C60), fullerene (C70), fullerene (C80), PCBM ([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester) (C60), PCBM (C70), PCBM (C80), ThCBM ((6, 6) -thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) and PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole),
Optoelectric composite electrode.
제5항에 있어서,
상기 전하수집층은,
PEI(Poly(ethyleneimine)), PEIE(Poly(ethyleneimine)-ethoxylated) 및 PFN(Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)])으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
광전기 복합전극.
According to clause 5,
The charge collection layer is,
PEI (Poly(ethyleneimine)), PEIE (Poly(ethyleneimine)-ethoxylated) and PFN (Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt -2,7-(9,9-o-dioctylfluorene)]), which contains at least one selected from the group consisting of
Optoelectric composite electrode.
제5항에 있어서,
상기 정공수송층은,
상기 광흡수층 및 상기 투명전극층 사이에 형성된 것인,
광전기 복합전극.
According to clause 5,
The hole transport layer is,
Formed between the light absorption layer and the transparent electrode layer,
Optoelectric composite electrode.
삭제delete 제1항의 광전기 복합전극을 포함하는 광캐소드;
애노드; 및
멤브레인;
을 포함하는,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
An optical cathode comprising the photoelectric composite electrode of claim 1;
anode; and
membrane;
Including,
Active solar electrochemical reaction system.
제11항에 있어서,
상기 애노드는,
텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 및 이의 산화물으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 산화 반응용 광촉매를 포함하는 것인,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
According to clause 11,
The anode is,
At least one selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), manganese (Mn), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), and iridium (Ir) and an oxide thereof Containing a photocatalyst for an oxidation reaction containing at least one selected from the group consisting of,
Active solar electrochemical reaction system.
제12항에 있어서,
상기 광촉매는,
탄소계 집전체 상에 코팅된 것인,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
According to clause 12,
The photocatalyst is,
Coated on a carbon-based current collector,
Active solar electrochemical reaction system.
제11항에 있어서,
상기 멤브레인은,
나피온인 것인,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
According to clause 11,
The membrane is,
Nafion,
Active solar electrochemical reaction system.
제11항에 있어서,
상기 광캐소드는,
산소, 질소 및 탄소 중 적어도 하나 이상을 환원하는 것인,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
According to clause 11,
The optical cathode is,
Reducing at least one of oxygen, nitrogen and carbon,
Active solar electrochemical reaction system.
제11항에 있어서,
상기 광캐소드는, 산소 환원에 의한 과산화수소를 생성하고,
상기 애노드는, 물을 산화시키는 것인,
능동적 태양광 전기화학반응 시스템.
According to clause 11,
The photocathode generates hydrogen peroxide by oxygen reduction,
The anode oxidizes water,
Active solar electrochemical reaction system.
KR1020210184152A 2021-12-21 2021-12-21 Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same KR102630344B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210184152A KR102630344B1 (en) 2021-12-21 2021-12-21 Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210184152A KR102630344B1 (en) 2021-12-21 2021-12-21 Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230094762A KR20230094762A (en) 2023-06-28
KR102630344B1 true KR102630344B1 (en) 2024-01-30

Family

ID=86994270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210184152A KR102630344B1 (en) 2021-12-21 2021-12-21 Perovskite photoelectrode and active-photoelectrochemical reaction system comprising same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102630344B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017110217A1 (en) 2015-12-22 2017-06-29 富士フイルム株式会社 Photocatalyst electrode and artificial photosynthesis module
JP2018536093A (en) 2015-11-18 2018-12-06 フィールド アップグレーディング リミテッド Method for electrochemical generation of hydrogen using dye-sensitized solar cell based anode
KR102288193B1 (en) 2020-01-16 2021-08-11 한국과학기술원 Photoelectrochemical(PEC) device Comprising CIGS Photovoltaic-Photoelectrode Tandem Configuration

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101717430B1 (en) * 2015-06-30 2017-03-27 광주과학기술원 Perovskite-based solar cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018536093A (en) 2015-11-18 2018-12-06 フィールド アップグレーディング リミテッド Method for electrochemical generation of hydrogen using dye-sensitized solar cell based anode
WO2017110217A1 (en) 2015-12-22 2017-06-29 富士フイルム株式会社 Photocatalyst electrode and artificial photosynthesis module
KR102288193B1 (en) 2020-01-16 2021-08-11 한국과학기술원 Photoelectrochemical(PEC) device Comprising CIGS Photovoltaic-Photoelectrode Tandem Configuration

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230094762A (en) 2023-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dave et al. Carbon quantum dot-based composites for energy storage and electrocatalysis: Mechanism, applications and future prospects
Bai et al. Metal‐organic frameworks nanocomposites with different dimensionalities for energy conversion and storage
Singh et al. Hybrid organic–inorganic materials and composites for photoelectrochemical water splitting
Weng et al. Metal–organic framework-derived CoWP@ C composite nanowire electrocatalyst for efficient water splitting
Dong et al. Conformal coating of ultrathin metal-organic framework on semiconductor electrode for boosted photoelectrochemical water oxidation
Du et al. Photoelectrochemistry of oxygen in rechargeable Li–O 2 batteries
Huang et al. Nanostructured bismuth vanadate-based materials for solar-energy-driven water oxidation: a review on recent progress
Cho et al. A semiconducting polymer bulk heterojunction photoanode for solar water oxidation
Oka et al. Organic π‐Conjugated Polymers as Photocathode Materials for Visible‐Light‐Enhanced Hydrogen and Hydrogen Peroxide Production from Water
Zhang et al. Polyoxometalates: tailoring metal oxides in molecular dimension toward energy applications
Wang et al. MOF@ cellulose derived Co–N–C nanowire network as an advanced reversible oxygen electrocatalyst for rechargeable zinc–air batteries
Farooq et al. Efficient photocatalysis through conductive polymer coated FTO counter electrode in platinum free dye sensitized solar cells
Venditti et al. Electrodeposited ZnO with squaraine sentisizers as photoactive anode of DSCs
KR20060085465A (en) Continuous semiconductive electrode, process for preparing the same and solar cells using the same
Hasan et al. Carbon dots as nano-modules for energy conversion and storage
Mehrotra et al. Unassisted selective solar hydrogen peroxide production by an oxidised buckypaper-integrated perovskite photocathode
Feng et al. A light-activated TiO2@ In2Se3@ Ag3PO4 cathode for high-performance Zn-Air batteries
Chu et al. Zn-doped hematite modified by graphene-like WS2: A p-type semiconductor hybrid photocathode for water splitting to produce hydrogen
Meena et al. Efficient solar water splitting using a CdS quantum dot decorated TiO2/Ag2Se photoanode
Lakshmi et al. Phosphotungstic acid‐Titania loaded polyaniline nanocomposite as efficient methanol electro‐oxidation catalyst in fuel cells
Kim et al. Seawater-mediated solar-to-sodium conversion by bismuth vanadate photoanode-photovoltaic tandem cell: solar rechargeable seawater battery
Pai et al. Enhanced photocurrent density for photoelectrochemical catalyzing water oxidation using novel W-doped BiVO4 and metal organic framework composites
Alam et al. One-dimensional Co (OH) F as a noble metal-free redox mediator and hole extractor for boosted photoelectrochemical water oxidation in worm-like bismuth vanadate
JP5162346B2 (en) Dye-sensitized solar cell, method for producing the same, and dye-sensitized solar cell module
JP2012059599A (en) Carbon based electrode and electrochemical device

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant