KR20180112300A - Photoelectrochemical cell electrode comprising metallic nanoparticles and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention discloses a photoelectrochemistry cell electrode including a metal nanoparticle which has excellent water dissociation performance, and a manufacturing method thereof. The manufacturing method of a photoelectrochemistry cell electrode according to the present invention comprises: a step (a) of mixing a first solution in which a metal precursor is dissolved and a second solution in which a bismuth (Bi) precursor and a vanadium (V) precursor are dissolved; a step (b) of applying the mixed mixture on a substrate; and a step (c) of heat-treating the applied product. A metal nanoparticle having an average diameter of 10 nm or less is dispersed in the inside of a BiVO_4 thin film.

Description

금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극 및 그 제조 방법{PHOTOELECTROCHEMICAL CELL ELECTRODE COMPRISING METALLIC NANOPARTICLES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a photoelectrochemical cell electrode comprising metal nanoparticles and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 > [0002]

본 발명은 광전기화학셀 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a photoelectrochemical cell electrode, and more particularly, to a photoelectrochemical cell electrode including metal nanoparticles and a method of manufacturing the same.

태양 에너지, 풍력 에너지, 해양 에너지, 바이오매스 에너지, 수소 에너지와 같은 신재생 에너지원들이 효과적으로 생산되고 소비되도록 많은 연구가 진행되고 있다. Much research is underway to effectively produce and consume renewable sources of energy such as solar, wind, marine, biomass, and hydrogen.

신재생 에너지 중에서도 수소 에너지(H2)는 물(H2O)로부터 생산되어 지속 가능하며, 연료로 사용된 후에는 다시 재생이 가능하다. 또한, 연소 시 이산화탄소 뿐만 아니라 황산가스(SOx), 질산가스(NOx), 분진 등과 같은 대기오염의 원인이 되는 물질들을 배출하지 않기 때문에 친환경적이다.Among renewable energy, hydrogen energy (H 2 ) is produced from water (H 2 O) and sustainable, and can be regenerated after it is used as fuel. In addition, it is eco-friendly because it does not emit substances that cause air pollution such as sulfur dioxide (SO x ), nitric acid gas (NO x ), and dust as well as carbon dioxide during combustion.

수소 에너지는 고압가스 또는 액체수소 형태로 이동이 용이하고 저장성도 우수하여 산업 전반에 걸쳐, 수소 자동차, 연료전지 등의 여러 분야에서 이용되고 있다.Hydrogen energy is easily transported in the form of high pressure gas or liquid hydrogen, and has excellent storability, and is used in various fields such as hydrogen automobiles and fuel cells throughout the industry.

수소 에너지 생산을 위해 물의 전기분해가 이용되고 있으며, 물의 전기분해는 공정이 간단하고 신뢰성이 우수하며, 수소 에너지를 대량 생산할 수 있으나, 전기분해 시 사용되는 전기 에너지의 비용이 높은 문제점이 있다.Electrolysis of water is used to produce hydrogen energy. Electrolysis of water is simple in process, high in reliability, and capable of mass production of hydrogen energy, but has a problem of high cost of electric energy used in electrolysis.

한편, 저렴한 비용으로 물을 효과적으로 분해하기 위해, 태양광 에너지를 이용한 광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell, PEC Cell)을 이용한 물 분해(water splitting) 방법이 진행되고 있다.On the other hand, a water splitting method using a photoelectrochemical cell (PEC cell) using solar energy is proceeding in order to effectively decompose water at low cost.

도 1에서 도시한 바와 같이, 광전기화학셀을 이용한 물 분해 방법은 광자에 의해 발생한 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 물의 산화 환원 반응을 통해 수소 기체와 산소 기체의 발생을 유도한다. As shown in FIG. 1, in a water decomposition method using a photoelectrochemical cell, an electron-hole pair (EHP) generated by a photon induces the generation of hydrogen gas and oxygen gas through oxidation and reduction reaction of water .

2H2O + 4h+ → 4H+ + O2 (산화 전극(photoanode)에서의 반응)2H 2 O + 4h + → 4H + + O 2 (reaction at the photoanode)

4H+ + 4e- → 2H2 (환원 전극(photocathode)에서의 반응)4H + + 4e - ? 2H 2 (reaction in photocathode)

2H2O → 2H2 + O2 (광전기화학적 물 분해를 통한 수소 생산)2H 2 O → 2H 2 + O 2 (hydrogen production through photoelectrochemical decomposition)

광전기화학셀(PEC Cell)은 기본적으로 산화 전극과 환원 전극, 그리고 두 전극 사이에서 전해질 역할을 하는 수용액으로 이루어져 있다. A photoelectrochemical cell (PEC cell) basically consists of an oxidizing electrode, a reducing electrode, and an aqueous solution that acts as an electrolyte between the two electrodes.

전극은 다양한 화학물질이 용해된 수용액 내에서 안정적으로 작동해야 하므로 우수한 화학적 내성이 필요하며, 태양광을 흡수하여 여기된 전자, 정공 쌍을 생성함으로써 물을 분해할 수 있어야 한다.Electrodes need to operate stably in aqueous solutions in which various chemicals are dissolved, so they need good chemical resistance and should be able to decompose water by absorbing sunlight to generate excited electrons and hole pairs.

이에 따라, 최근에는 화학적 안정성이 우수한 산화물을 이용해 물 분해 전극을 형성하고 이를 보조하여 향상된 성능을 얻을 수 있도록 금속 나노 입자를 이용하여 전극을 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 이는 금속 나노 입자들이 주로 광전극 표면에 제한적으로 존재하여 광전극과 금속 나노 입자 사이의 결합력이 저하되고, 광전극과 금속 나노 입자의 계면에서 자유 전자의 손실이 많이 발생하여 전극의 물 분해 성능이 저하되는 문제점이 발생한다.Recently, studies have been actively conducted to form electrodes using metal nanoparticles so as to obtain water-decomposable electrodes by using oxides having excellent chemical stability and to obtain improved performance by supporting them. However, this is because the metal nanoparticles are mainly present on the surface of the photoelectrode and thus the bonding force between the photoelectrode and the metal nanoparticles is lowered, and the free electrons are lost at the interface between the photoelectrode and the metal nanoparticles, There is a problem that the performance is deteriorated.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 산화물 전극의 빛 흡수 효율을 증가시키고 우수한 물 분해 성능을 갖는 전극이 요구되고 있다.Accordingly, in order to solve such a problem, there is a demand for an electrode which increases the light absorption efficiency of the oxide electrode and has excellent water decomposition ability.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제 10-1110364호(2012.01.19. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 금속 나노 입자를 이용한 염료감응형 태양전지의 전극 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
A related art related to the present invention is Korean Patent Registration No. 10-1110364 (registered on Jan. 19, 2012), which discloses an electrode of a dye-sensitized solar cell using metal nanoparticles and a method for producing the same .

본 발명의 목적은 물 분해 성능이 우수한 광전기화학셀 전극를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a photoelectrochemical cell electrode having excellent water decomposition ability.

본 발명의 다른 목적은 제조 공정이 용이한 광전기화학셀 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a photoelectrochemical cell electrode which is easy to manufacture.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 제조 방법은 (a) 금속 전구체가 용해된 제1용액과 비스무스(Bi) 전구체와 바나듐(V) 전구체가 용해된 제2용액을 혼합하는 단계; (b) 혼합된 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계; 및 (c) 도포된 결과물을 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 열처리에 의해, BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 분포하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photoelectrochemical cell electrode, comprising: (a) forming a first solution in which a metal precursor is dissolved, a second solution in which a bismuth (Bi) precursor and a vanadium Mixing; (b) applying the mixed mixture onto a substrate; And (c) heat treating the coated product. The metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less are distributed in the BiVO 4 thin film by the heat treatment.

상기 (a) 단계에서, 혼합은 금속 나노 입자가 형성되도록 100℃ 이하에서 수행될 수 있다.In the step (a), the mixing may be performed at 100 ° C or lower to form metal nanoparticles.

상기 금속은 은(Ag)을 포함할 수 있다.The metal may include silver (Ag).

상기 (a) 단계에서, 금속 전구체가 용해된 제1용액은 비스무스(Bi) 전구체 및 바나듐(V) 전구체 100중량부에 대하여, 금속 전구체 0.1~30중량부를 포함할 수 있다.In the step (a), the first solution in which the metal precursor is dissolved may include 0.1 to 30 parts by weight of a metal precursor based on 100 parts by weight of the bismuth (Bi) precursor and the vanadium (V) precursor.

상기 도포는 스프레이 코팅, 바 코팅 또는 스핀 코팅으로 수행될 수 있다.The application may be carried out by spray coating, bar coating or spin coating.

상기 열처리는 200~600℃에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 200 to 600 ° C.

상기 BiVO4 박막의 두께는 0.01~10㎛일 수 있다.
The thickness of the BiVO 4 thin film may be 0.01 to 10 탆.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극은 BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 분포하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a photoelectrochemical cell electrode according to the present invention, wherein metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less are distributed in a BiVO 4 thin film.

상기 금속은 은(Ag)을 포함할 수 있다.The metal may include silver (Ag).

상기 전극은 BiVO4 박막 100중량부에 대하여, 금속 나노 입자 0.1~30중량부를 포함할 수 있다.The electrode may include 0.1 to 30 parts by weight of metal nanoparticles relative to 100 parts by weight of the BiVO 4 thin film.

상기 BiVO4 박막의 두께는 0.01~10㎛일 수 있다.
The thickness of the BiVO 4 thin film may be 0.01 to 10 탆.

본 발명에 따른 광전기화학셀 전극은 BiVO4 박막 내부에 수 nm 크기의 금속 나노 입자를 포함함으로써, 금속 나노 입자에서 발생하는 플라즈모닉 효과(Plasmonic effect)가 적용됨에 따라 물 분해 성능이 우수한 광전기화학셀 전극을 형성할 수 있다.The photoelectrochemical cell electrode according to the present invention includes metal nanoparticles having a size of several nanometers in the BiVO 4 thin film, so that the plasmonic effect generated in the metal nanoparticles is applied, An electrode can be formed.

본 발명의 광전기화학셀 전극은 제조 공정이 용액 공정으로 수행되는 점에서 전극을 박막 형태로 형성하기에 용이한 특징이 있다.
The photoelectrochemical cell electrode of the present invention is characterized in that it is easy to form the electrode in a thin film form in that the manufacturing process is performed by a solution process.

도 1은 광전기화학셀을 이용한 물 분해 반응을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 스핀 코팅 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 BiVO4 박막 내부에 은 나노 입자(Ag NPs)가 분산된 광전기화학셀 전극의 TEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 TEM-energy dispersive X-ray spectrometer(EDS) mapping을 수행한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 은 나노 입자의 플라즈모닉 효과에 따른 UV-vis 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명에 따른 광전기화학셀의 성능 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a water decomposition reaction using a photoelectrochemical cell.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photoelectrochemical cell electrode according to the present invention.
3 is a schematic view showing a spin coating process.
FIG. 4 is a TEM photograph of a photoelectrochemical cell electrode in which silver nanoparticles (Ag NPs) are dispersed in a BiVO 4 thin film according to the present invention.
5 is a TEM-energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) mapping of photoelectrochemical cell electrodes according to the present invention.
6 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of the photoelectrochemical cell electrode according to the present invention.
7 is a UV-vis spectrum according to the plasmonic effect of silver nanoparticles according to the present invention.
8 is a graph showing a result of measuring the performance of the photoelectrochemical cell according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a photoelectrochemical cell electrode including metal nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 금속 나노 입자에서 발생하는 플라즈모닉 효과(Plasmonic effect)를 이용하여 물 분해 성능이 우수한 광전기화학셀 전극을 제공한다.The present invention provides a photoelectrochemical cell electrode having excellent water decomposition ability by using a plasmonic effect generated in metal nanoparticles.

플라즈모닉 효과는 금속 나노 입자에 가해지는 태양광 에너지와 같은 전자기적인 파동에 의해, 자유 전자가 집단적으로 공명(resonance)하여 강한 전기장을 생성하는 현상이다. 금속 나노 입자의 플라즈모닉 효과로 인해 흡수할 수 있는 빛의 파장 범위 및 흡수 효율이 증가하여 더 많은 태양광 에너지를 흡수할 수 있다. 또한, 금속 나노 입자 주위의 전기장으로 인해 광전기화학셀 전극 내부에서 발생하는 전자정공쌍(EHP)의 재결합 빈도를 낮추고, 금속 나노 입자 내부의 자유 전자를 전극에 공급함으로써 광전기화학셀의 물 분해 효율을 향상시킬 수 있다.The plasmonic effect is a phenomenon in which free electrons collectively resonate to generate a strong electric field by electromagnetic waves such as solar energy applied to metal nanoparticles. Due to the plasmonic effect of the metal nanoparticles, the wavelength range of the absorbable light and the absorption efficiency are increased, so that more solar energy can be absorbed. In addition, by reducing the frequency of recombination of electron hole pairs (EHP) generated inside the photoelectrochemical cell electrode due to the electric field around the metal nanoparticles, and by supplying free electrons in the metal nanoparticles to the electrode, Can be improved.

본 발명의 제조 공정은 용액 공정으로 수행되어 금속 나노 입자와 전극 사이에 화학적인 결합을 유도함과 동시에 전극을 박막 형태로 형성하기 용이한 효과가 있다. 또한, 본 발명에서 제시한 제조 공정에 의해 형성된 금속 나노 입자는 전극의 표면에만 제한적으로 존재하지 않고, 박막 형태의 전극 내부에 균일하게 분포하고 있기 때문에 전극의 모든 부분에서 태양광 에너지의 흡수 효율을 향상시키는 효과를 보인다.The manufacturing process of the present invention is effected by a solution process, which facilitates the chemical bonding between the metal nanoparticles and the electrode and facilitates formation of the electrode in the form of a thin film. Further, since the metal nanoparticles formed by the manufacturing process proposed in the present invention are not limited to only the surface of the electrode, but are uniformly distributed within the thin film electrode, the efficiency of absorption of the solar energy in all portions of the electrode .

도 1에서 도시한 바와 같이, 광전기화학셀(PEC cell)은 산화 전극과 환원 전극, 전해질로 이루어져 있다. 반도체로 구성된 광전극(산화 전극 또는 환원 전극)에 띠간격 에너지(band gap) 이상의 에너지를 가지는 태양광 에너지가 입사되면, 광전기 효과에 의해 반도체 내에는 전자정공쌍(EHP)이 형성되며, 이 전자정공쌍들은 반도체 내부 및 반도체-전해질 계면에서 발생하는 띠굽음 현상(band bending)에 의해 분리된다. As shown in FIG. 1, the photoelectrochemical cell (PEC cell) is composed of an oxidizing electrode, a reducing electrode, and an electrolyte. When solar energy having an energy of band gap energy or more enters into a semiconductor optical electrode (oxidizing electrode or reducing electrode), an electron hole pair (EHP) is formed in the semiconductor due to the photoelectric effect, The hole pairs are separated by band bending occurring inside the semiconductor and at the semiconductor-electrolyte interface.

분리된 정공(h+)은 산화 전극-전해질 계면에서 물(H2O)을 산화시켜 양성자 이온(H+)을 생성하고 산소 기체(O2)를 발생시킨다. 분리된 전자(e-)는 외부 회로를 따라 환원 전극으로 이동하여, 전해질을 통해 이동한 양성자 이온(H+)을 환원 전극-전해질 계면에서 환원시켜 수소 기체(H2)를 발생시킨다.The separated holes (h + ) oxidize water (H 2 O) at the oxidized electrode-electrolyte interface to produce proton ions (H + ) and generate oxygen gas (O 2 ). The separated electrons e - move to the reduction electrode along the external circuit and generate hydrogen gas (H 2 ) by reducing the proton ions (H + ) transferred through the electrolyte at the reducing electrode-electrolyte interface.

이처럼 광전기화학셀(PEC cell)을 이용한 물 분해는 재생 가능한 수소 에너지를 지속적으로 생산해낼 수 있으며, 수소 에너지와 더불어 산소를 생산하므로, 이 산소를 유기물 분해와 정화작용에 이용할 수도 있다.
Water decomposition using a PEC cell can produce renewable hydrogen energy continuously. Since oxygen is produced along with hydrogen energy, the oxygen can be used for decomposing and purifying organic matter.

도 2는 발명에 따른 금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photoelectrochemical cell electrode including metal nanoparticles according to the present invention.

도 2를 참조하면, 광전기화학셀 전극의 제조 방법은 제1용액과 제2용액을 혼합하는 단계(S110), 도포하는 단계(S120), 및 열처리하는 단계(S130)를 포함한다.
Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a photoelectrochemical cell electrode includes a step S110 of mixing a first solution and a second solution, a step of applying S120, and a step of performing a heat treatment S130.

제1용액과 제2용액을 혼합하는 단계(S110)Mixing the first solution and the second solution (S110)

먼저, 금속 전구체가 용해된 제1용액을 마련한다.First, a first solution in which a metal precursor is dissolved is prepared.

금속은 은(Ag)을 포함하는 것이 바람직하며, 금속 전구체는 질산은(AgNO3), 과염소산은(AlClO4), 염소산은(AgClO3), 탄산은(Ag2CO3), 황산은(Ag2SO4), 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr) 및 불소은(AgF) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal is preferably containing a (Ag), the metal precursor is silver nitrate (AgNO 3), perchloric acid is (AlClO 4), acid is (AgClO 3), carbonate (Ag 2 CO 3), silver sulfate (Ag 2 SO 4 ), silver chloride (AgCl), silver bromide (AgBr) and fluorine silver (AgF).

상기 금속 전구체는 다이메틸폼아마이드(DMF, C3H7NO), 에틸알코올, 테트라하이드로퓨란(THF, C4H8O) 등의 유기 용매에 용해되어 제1용액을 형성할 수 있으며, 제1용액에 증류수가 더 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal precursor may be dissolved in an organic solvent such as dimethylformamide (DMF, C 3 H 7 NO), ethyl alcohol or tetrahydrofuran (THF, C 4 H 8 O) to form a first solution, 1 solution may be added to the solution, but not limited thereto.

금속 전구체는 제1용액에 균일하게 분산되도록 첨가될 수 있으며, 제1용액은 후술할 비스무스(Bi) 전구체 및 바나듐(V) 전구체 100중량부에 대하여, 금속 전구체 0.1~30중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 5~20중량부를 포함하는 것이 보다 바람직하다.The metal precursor may be added so as to be uniformly dispersed in the first solution, and the first solution preferably contains 0.1 to 30 parts by weight of the metal precursor relative to 100 parts by weight of the bismuth (Bi) precursor and the vanadium (V) , And more preferably 5 to 20 parts by weight.

금속 전구체의 함량이 0.1중량부 미만인 경우, 전극 내부에 형성된 금속 나노 입자의 밀도가 낮아 플라즈모닉 효과가 충분히 일어나지 않으므로 전극의 향상된 물 분해 효율을 기대하기 어렵다. 반대로, 30중량부를 초과하는 경우, 금속 전구체의 함량이 많아지면서 최종 전극에서 광전극(반도체)이 차지하는 비중이 줄어들게 되어 빛의 흡수도가 감소하고 전극의 물 분해 효율이 낮아진다. 또한, 금속 전구체의 함량이 증가함에 따라 형성된 금속 나노 입자의 크기가 증가하고 입자의 전극 내 분포 균일도가 감소하여 전자-정공 쌍의 재결합 비율이 늘어나 전극 효율이 감소한다.When the content of the metal precursor is less than 0.1 part by weight, the density of the metal nanoparticles formed in the electrode is low and the plasmonic effect does not sufficiently take place, so it is difficult to expect the improved water decomposition efficiency of the electrode. On the contrary, when the amount exceeds 30 parts by weight, the specific gravity of the photoelectrode (semiconductor) occupied by the final electrode is reduced due to an increase in the content of the metal precursor, so that the absorption of light is reduced and the water decomposition efficiency of the electrode is lowered. Also, as the content of the metal precursor increases, the size of the metal nanoparticles formed increases and the uniformity of the distribution of the particles in the electrode decreases, thereby increasing the recombination ratio of the electron-hole pairs and reducing the electrode efficiency.

따라서, 제1용액에 포함되는 금속 전구체의 함량은 0.1~30중량부인 것이 바람직하며, 5~20중량부인 것이 보다 바람직하다. 함량이 5~20중량부인 경우에는 10nm 이하의 평균 입경을 가지는 금속 나노 입자가 전극 내부에 뭉침 현상 없이 균일하게 분포하게 된다. 이에 따라, 광전극(반도체)과 금속 나노 입자의 접촉 면적(interfacial area)이 최대값을 가질 수 있기 때문에, 플라즈모닉 효과에 의한 전자-정공 쌍 재결합 방지와 금속 나노 입자 내부의 자유 전자가 광전극(반도체)으로 유입되는 현상이 극대화되는 효과를 보일 수 있다
Therefore, the content of the metal precursor in the first solution is preferably 0.1 to 30 parts by weight, more preferably 5 to 20 parts by weight. When the content is 5 to 20 parts by weight, metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less are uniformly distributed within the electrode without aggregation. Accordingly, since the interfacial area between the photoelectrode (semiconductor) and the metal nanoparticle can have a maximum value, it is possible to prevent recombination of electrons and holes due to the plasmonic effect, (Semiconductor) can be maximized

다음으로, 비스무스(Bi) 전구체와 바나듐(V) 전구체가 용해된 제2용액을 마련한다. 비스무스 전구체 : 바나듐 전구체는 1 : 1 ~ 1 : 3의 중량비로 혼합되거나 1 : 1 ~ 3 : 1의 중량비로 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Next, a second solution in which the bismuth (Bi) precursor and the vanadium (V) precursor are dissolved is provided. The bismuth precursor: vanadium precursor may be mixed in a weight ratio of 1: 1 to 1: 3 or in a weight ratio of 1: 1 to 3: 1, but is not limited thereto.

비스무스(Bi) 전구체로는 질산비스무스(Bi(NO3)3), 염화비스무스(BiCl3) 등이 사용될 수 있으며, 바나듐(V) 전구체로는 바나딜 아세틸아세토네이트(VO(acac)2), 암모늄메타바나데이트(NH4VO3) 등이 사용될 수 있다.Bismuth (Bi) precursor is nitrate, bismuth (Bi (NO 3) 3) , chloride, bismuth (BiCl 3), and the like may be used, vanadium (V) is vanadyl acetylacetonate (VO (acac) 2) as a precursor, Ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ) and the like can be used.

비스무스 전구체와 바나듐 전구체는 에틸알코올, 아세틸아세톤 등의 유기 용매에 용해되어 제2용액을 형성할 수 있으며, 제2용액에 아세트산이 더 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The bismuth precursor and the vanadium precursor may be dissolved in an organic solvent such as ethyl alcohol or acetylacetone to form a second solution. Acetic acid may be further added to the second solution, but the present invention is not limited thereto.

상기 마련된 제1용액과 제2용액을 25~100℃의 온도에서 대략 5분~5시간 동안 혼합 및 교반할 수 있으며, 제1용액과 제2용액을 가열 혼합하는 과정에서 금속 전구체로부터 금속 나노 입자가 형성된다. 이에 따라, 제1용액과 제2용액이 혼합된 혼합물에는 금속 나노 입자, 금속 전구체, 비스무스 전구체, 바나듐 전구체가 포함되어 있다. The first solution and the second solution may be mixed and stirred at a temperature of 25 to 100 ° C for about 5 minutes to 5 hours. In the course of heating and mixing the first solution and the second solution, metal nanoparticles . Accordingly, the mixture in which the first solution and the second solution are mixed includes the metal nanoparticles, the metal precursor, the bismuth precursor, and the vanadium precursor.

점도 및 금속 나노 입자의 분산 정도를 고려하여, 혼합 및 교반 시간을 조절할 수 있다. 혼합 조건(온도 및 시간)이 5시간을 초과하고, 100℃를 초과하는 경우, 고온 및 장시간 교반에 의해 금속 전구체에서 금속 나노 입자로의 환원 속도가 빨라지면서 나노 입자의 크기가 수십 nm 이상으로 커질 수 있다. 동시에 금속 나노 입자의 크기가 불균해질 수 있다. 반대로, 혼합 조건이 5분 미만이고, 25℃ 미만인 경우, 불충분한 환원 및 교반 조건에 의해 제1용액과 제2용액을 혼합하는 단계(S110)에서 금속 나노 입자가 형성되기에 불충분하고, 형성된 금속 나노 입자의 뭉침 현상이 발생할 수 있다.The mixing and agitation time can be controlled by considering the viscosity and the degree of dispersion of the metal nanoparticles. When the mixing condition (temperature and time) exceeds 5 hours and exceeds 100 ° C, the reduction rate from the metal precursor to the metal nanoparticles is increased by the high temperature and long-time agitation, and the size of the nanoparticles becomes larger than tens of nanometers . At the same time, the size of the metal nanoparticles may become uneven. Conversely, if the mixing condition is less than 5 minutes and less than 25 ° C, insufficient reduction and stirring conditions are insufficient to form the metal nanoparticles in the step (S110) of mixing the first solution and the second solution, Aggregation of nanoparticles may occur.

이처럼, 가열에 의한 혼합 과정에서 금속 나노 입자가 형성될 수 있으며, 바람직한 혼합 조건에서 용액이 혼합될 경우, 후술할 도포 및 열처리 과정을 거쳐 BiVO4 박막 내부에 금속 나노 입자가 뭉침 현상 없이 균일하게 분포할 수 있다.
As described above, the metal nanoparticles can be formed in the mixing process by heating. When the solution is mixed under the preferable mixing conditions, the metal nanoparticles are homogeneously distributed in the BiVO 4 thin film through the application and heat treatment process can do.

도포하는 단계(S120)In step S120,

다음으로, 상기 혼합된 혼합물을 기판 상에 도포한다.Next, the mixed mixture is applied on a substrate.

도포는 스프레이 코팅, 바 코팅 또는 스핀 코팅으로 수행되어 0.01~10㎛ 두께의 얇은 박막을 형성할 수 있다.Coating may be carried out by spray coating, bar coating or spin coating, It is possible to form a thin thin film.

전극을 박막으로 형성할 때, 전극의 두께가 0.01㎛ 미만인 경우에는 전극이 빛을 충분히 흡수하지 못하고 투과시키는 빛의 손실이 일어나 전극의 물 분해 효율의 감소를 야기한다. 반대로, 두께가 10㎛를 초과하는 경우, 전극 내부에서 분리된 전자 또는 정공이 물을 환원 또는 산화하기 위해 전극-전해질 계면으로 이동하는 과정에서 계면에 도달하기 전에 재결합이 발생하여 손실될 확률이 급격하게 상승하며, 이로 인해 전극의 물 분해 효율의 급격한 감소를 야기한다.When the electrode is formed as a thin film, if the thickness of the electrode is less than 0.01 탆, the electrode can not absorb light sufficiently, and light is transmitted therethrough, resulting in reduction of the water decomposition efficiency of the electrode. Conversely, when the thickness exceeds 10 탆, the probability that electrons or holes separated from the inside of the electrode are lost due to recombination occurring before the interface reaches the electrode-electrolyte interface in order to reduce or oxidize the water is abrupt Resulting in a sharp decrease in the water decomposition efficiency of the electrode.

따라서, 박막으로 형성된 전극의 두께는 0.01~10㎛가 바람직하다. Therefore, the thickness of the electrode formed of the thin film is preferably 0.01 to 10 mu m.

다만, 상기 제시한 문제점이 발생하는 전극의 두께는 전극을 구성하는 물질이 가지는 빛 흡수계수(absorption coefficient)와 전하 이동도(carrier mobility) 등의 물성들이 복합적으로 작용하여 나타난 결과이므로, 전극을 구성하는 물질에 따라 그 범위가 다양하게 나타날 수 있다. 또한, 전극 내부에 분포된 금속 나노 입자의 크기, 밀도 등의 상태에 따라 전극의 두께를 다양하게 변화시킬 수 있다.
However, since the thickness of the electrode in which the above-described problem occurs is a result of a combination of physical properties such as a light absorption coefficient and a carrier mobility of a material constituting the electrode, The range may vary depending on the substance. In addition, the thickness of the electrode can be varied according to the size, density, etc. of the metal nanoparticles distributed inside the electrode.

스프레이 코팅은 일반적으로 사용되는 도장법으로, 코팅액을 피코팅재 상에 분무하는 코팅법이다. 바(bar) 코팅은 굵기가 일정한 와이어 바를 이용하여 코팅액과 와이어 바가 함께 움직이면서 기판 상에 코팅층을 형성하는 코팅법으로, 두께 100㎛ 이하의 박막을 형성하기에 용이하다. 스핀 코팅은 도 3에서와 같이, 코팅액을 기질 위에 떨어뜨린 후 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅법이다.Spray coating is a commonly used coating method in which a coating liquid is sprayed onto a coating material. Bar coating is a coating method in which a coating liquid is formed on a substrate while a coating liquid and a wire bar are moved together using a wire bar having a uniform thickness. This is easy to form a thin film having a thickness of 100 μm or less. As shown in FIG. 3, the spin coating is a coating method in which the coating liquid is dropped onto a substrate and then rotated at a high speed to spread thinly.

이처럼, 본 발명에서는 전구체가 분산된 혼합물을 스프레이 코팅, 바 코팅 또는 스핀 코팅으로 도포함으로써, 금속 나노 입자가 내부에 균일하게 분산된 박막을 형성할 수 있다.As described above, in the present invention, the precursor-dispersed mixture is applied by spray coating, bar coating or spin coating to form a thin film in which the metal nanoparticles are uniformly dispersed therein.

또한, 도 3에서와 같이, 스프레이 코팅, 바 코팅, 스핀 코팅은 대면적의 생산공정에 적용이 가능하고, 여러 분야에서 사용 가능하며 공정의 유연성이 우수한 특징이 있다.
Also, as shown in FIG. 3, spray coating, bar coating, and spin coating are applicable to a large area production process, and they are usable in various fields and have excellent process flexibility.

열처리하는 단계(S130)The heat treatment step (S130)

다음으로, 도포된 결과물을 열처리하여 결정화한다.Next, the coated product is heat-treated and crystallized.

열처리는 앞서 제시한 전구체의 소결이 완전히 이루어지도록 대략 200~600℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 400~500℃에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. The heat treatment is preferably performed at a temperature of about 200 to 600 ° C, and more preferably, at a temperature of 400 to 500 ° C so that the sintering of the precursor is completed.

열처리가 200℃ 미만에서 수행되는 경우 전구체의 소결 및 용매를 포함한 유기불순물의 제거가 충분하게 이루어지지 않으므로 전극의 결정성이 감소하며 동시에 전극 내부에 불순물이 남아있을 수 있다. 반대로, 600℃를 초과하는 경우, 전극을 이루는 Bi와 같은 원소들의 휘발에 의해 결정성이 감소하고 금속 나노 입자의 표면에서 금속의 산화가 발생하여 나노 입자 주위에 얇은 금속 산화막이 형성될 수 있다. 이러한 현상들은 모두 전극 물 분해 효율의 감소를 야기한다.
When the heat treatment is performed at a temperature lower than 200 캜, the sintering of the precursor and the removal of organic impurities including the solvent are not sufficiently performed, so that the crystallinity of the electrode is decreased and impurities may remain in the electrode. On the other hand, when the temperature exceeds 600 ° C., crystallinity is reduced by volatilization of elements such as Bi constituting the electrode, and oxidation of metal occurs on the surface of the metal nanoparticles, so that a thin metal oxide film can be formed around the nanoparticles. All of these phenomena lead to a reduction in electrode water decomposition efficiency.

열처리에 의해, BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 뭉침 현상 없이 균일하게 분산될 수 있다.By the heat treatment, the metal nano-particles having an average particle diameter of 10 nm or less can be uniformly dispersed in the BiVO 4 thin film without aggregation.

도 4에 도시한 바와 같이, 은 나노 입자의 표면은 전극 물질이 BiVO4이 둘러싸고 있는 구조를 가지는데, 이는 BiVO4 박막 내부에 은 나노 입자가 존재함을 의미한다. 즉, 열처리 결과 전극 내부에 금속 나노 입자와 BiVO4의 이종구조(heterostructure)가 형성된다. 또한, 도 4를 통해 본 특허에서 제시하는 제조 방법을 통해 형성된 광전기화학셀 전극의 특징을 확인할 수 있다. 4, I is the surface of the electrode material of the nanoparticles have a structure in which the surrounding BiVO 4, BiVO 4, which thin film is on the inside means that the nano-particles are present. That is, as a result of the heat treatment, a heterostructure of metal nanoparticles and BiVO 4 is formed inside the electrode. 4, the characteristics of the photoelectrochemical cell electrode formed through the manufacturing method disclosed in the present patent can be confirmed.

우선, 10 nm 미만의 입경을 가지는 금속 나노 입자가 전극의 표면에만 한정적으로 존재하는 것이 아니라 전극 내부에도 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 그 결과 금속 나노 입자에서 발생하는 플라즈모닉 효과에 의해 전극의 모든 부분에서 태양광 에너지의 흡수 효율을 향상시키는 효과를 보인다. First, it can be seen that the metal nanoparticles having a particle diameter of less than 10 nm are not limited to the surface of the electrode but are uniformly distributed in the electrode. As a result, the plasmonic effect generated in the metal nanoparticles improves the absorption efficiency of the solar energy in all parts of the electrode.

다른 특징으로는 광전극(반도체)과 금속 나노 입자가 화학적 결합을 통해 접촉되어 있으며, 이러한 접촉 경계면(interface)에서 플라즈모닉 효과에 의해 강한 전기장이 형성되기 때문에 광전극(반도체) 내부에서 발생하는 전자-정공 쌍 재결합 방지와 금속 나노 입자 내부의 자유 전자가 광전극(반도체)으로 유입되는 효과를 보일 수 있다. Another feature is that the photoelectrode (semiconductor) and the metal nanoparticles are in contact through chemical bonding, and since a strong electric field is formed by the plasmonic effect at the contact interface, electrons (electrons) - It is possible to prevent recombination of hole pairs and to introduce free electrons in the metal nanoparticles into the photoelectrode (semiconductor).

따라서, 이러한 구조적 특징을 통해, 금속 나노 입자들에 의해 가시광선 영역의 빛을 효율적으로 흡수하고, 흡수된 빛에 의해 여기된 전자들이 전극으로 유입되며, 전자 및 정공은 전극-전해질 계면으로 이동하여 물 분해 반응에 직접적으로 사용된다. 이에 따라, 광전기화학셀 전극은 향상된 물 분해 성능을 나타낼 수 있다.Thus, through this structural feature, the metal nanoparticles efficiently absorb light in the visible light region, electrons excited by the absorbed light enter the electrode, electrons and holes move to the electrode-electrolyte interface It is used directly in the water decomposition reaction. Thus, photoelectrochemical cell electrodes can exhibit improved water degradation performance.

상기 BiVO4 박막은 금속 나노 입자의 크기 등을 고려하여 0.01~10 ㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 전극의 두께가 0.01㎛ 미만인 경우, BiVO4가 빛을 충분히 흡수하지 못하고 투과시키는 빛의 손실이 일어나 물 분해 효율이 감소하게 된다. 반대로, 두께가 10㎛를 초과하는 경우, BiVO4 내부에서 분리된 전자가 물을 산화하기 위해 BiVO4-전해질 계면으로 이동하는 과정에서 계면에 도달하기 전에 재결합이 발생하여 손실될 확률이 급격하게 상승한다. 이로 인해 BiVO4 소자의 물 분해 효율이 급격히 감소하게 된다.
The BiVO 4 thin film may be formed to a thickness of 0.01 to 10 탆 in consideration of the size of the metal nanoparticles, etc. When the thickness of the electrode is less than 0.01 탆, BiVO 4 does not sufficiently absorb light, So that the water decomposition efficiency is reduced. Conversely, if the thickness exceeds 10㎛, BiVO 4 BiVO 4 in order to oxidize the electron is separated from the water inside-electrolyte in the process of moving the interface to reach the interface recombination loss is suddenly elevated probability to occur before do. As a result, the water decomposition efficiency of the BiVO 4 device is drastically reduced.

전술한 바와 같이, 본 발명의 광전기화학셀 전극의 제조 방법은 금속 전구체가 포함된 제1용액과 비스무스 전구체, 바나듐 전구체가 포함된 제2용액을 혼합한 후, 박막의 형태로 형성하고 열처리한다. As described above, in the method of manufacturing the photoelectrochemical cell electrode of the present invention, the first solution containing the metal precursor, the second solution containing the bismuth precursor and the vanadium precursor are mixed and formed into a thin film and heat-treated.

이러한 제조 방법에 따라, 내부에 수 nm 크기의 금속 나노 입자가 균일하게 분산된 박막을 제조할 수 있으며, 특히, 금속 나노 입자에서 발생하는 플라즈모닉 효과에 의해 전극의 물 분해 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
According to this manufacturing method, it is possible to manufacture a thin film in which metal nanoparticles of several nanometers in size are uniformly dispersed in the inside, and in particular, to improve the water decomposition performance of the electrode by the plasmonic effect generated in metal nanoparticles It is effective.

본 발명에 따른 광전기화학셀 전극은 BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. The photoelectrochemical cell electrode according to the present invention is characterized in that metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less are contained in the BiVO 4 thin film.

상기 금속은 전술한 바와 같이, 은(Ag)을 포함할 수 있으며, BiVO4 박막의 두께는 0.01~10㎛일 수 있다.As described above, the metal may include silver (Ag), and the thickness of the BiVO 4 thin film may be 0.01 to 10 탆.

본 발명의 광전기화학셀 전극은 BiVO4 박막 100중량부에 대하여, 금속 나노 입자 0.1~30중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 5~20중량부를 포함하는 것이 보다 바람직하다.The photoelectrochemical cell electrode of the present invention preferably contains 0.1 to 30 parts by weight of metal nanoparticles per 100 parts by weight of the BiVO 4 thin film, more preferably 5 to 20 parts by weight.

금속 나노 입자의 함량이 0.1중량부 미만인 경우, 전극 내부에 형성된 금속 나노 입자의 밀도가 낮아 플라즈모닉 효과가 충분히 일어나지 않으므로 전극의 향상된 물 분해 효율을 기대하기 어렵다. 반대로, 30중량부를 초과하는 경우, 금속 나노 입자의 함량이 많아지면서 최종 전극에서 광전극(반도체)이 차지하는 비중이 줄어들게 되어 빛의 흡수도가 감소하고 전극의 물 분해 효율이 낮아진다. 또한, 금속 나노 입자의 함량이 증가함에 따라, 형성된 금속 나노 입자의 크기가 증가하고 입자의 전극 내 분포 균일도가 감소하여 전자-정공 쌍의 재결합 비율이 늘어나 전극 효율이 감소한다.
When the content of the metal nanoparticles is less than 0.1 part by weight, the density of the metal nanoparticles formed in the electrode is low, and the plasmonic effect does not sufficiently take place, so that it is difficult to expect an improved water decomposition efficiency of the electrode. On the other hand, if the amount of the metal nanoparticles is greater than 30 parts by weight, the specific gravity of the photoelectrode (semiconductor) occupied by the final electrode is reduced, so that the absorption of light decreases and the water decomposition efficiency of the electrode decreases. Also, as the content of the metal nanoparticles increases, the size of the formed metal nanoparticles increases and the uniformity of the distribution of the particles in the electrode decreases, thereby increasing the recombination ratio of the electron-hole pairs and reducing the electrode efficiency.

이와 같이 금속 나노 입자를 포함하는 광전기화학셀 전극 및 그 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.The photoelectrochemical cell electrode including the metal nanoparticles and the manufacturing method thereof will be described in detail as follows.

1. 전극의 제조1. Manufacture of electrodes

실시예Example

먼저, DMF에 AgNO3가 용해된 제1용액을 마련하고, 아세틸아세톤에 VO(acac)2와 Bi(NO3)3·5H2O가 용해된 제2용액을 마련하였다. First, a first solution in which AgNO 3 was dissolved in DMF was prepared, and a second solution in which VO (acac) 2 and Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O were dissolved in acetylacetone was prepared.

상기 제1용액에서 AgNO3의 함량은 VO(acac)2와 Bi(NO3)3·5H2O의 전체 100중량부에 대하여, AgNO3 5, 10, 15, 20중량부로 각각 첨가한 것이다.The content of AgNO 3 in the first solution is 5, 10, 15 and 20 parts by weight of AgNO 3 per 100 parts by weight of VO (acac) 2 and Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O, respectively.

다음으로, 마련된 제1용액과 제2용액을 35℃에서 10분 동안 혼합 및 교반하여 혼합물을 제조하고, 스핀 코팅을 이용하여 전도성 유리 기판 상에 상기 혼합물을 도포하였다. Next, the prepared first solution and second solution were mixed and stirred at 35 캜 for 10 minutes to prepare a mixture, and the mixture was coated on a conductive glass substrate using spin coating.

다음으로, 도포된 결과물을 500℃에서 2시간 동안 열처리하여, 두께 0.2㎛의 BiVO4 박막을 포함하는 전극을 제조하였다. Next, the resultant coating heat treatment at 500 ℃ for 2 hours, thereby producing an electrode including a thin film having a thickness of BiVO 4 0.2㎛.

AgNO3의 함량이 달리하여 제조된 BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 분산된 것을 확인하였다.
It was confirmed that metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less were dispersed in the BiVO 4 thin film prepared by varying the content of AgNO 3 .

2. 광전기화학셀 제조2. Photoelectric chemical cell manufacturing

제조된 광전기화학셀의 성능을 평가하기 위해 BiVO4 산화 전극의 상대 전극으로써 Pt wire를 사용하였다., 두 전극을 광전기화학셀 성능 평가를 위해 맞춤 제작된 석영 전해조(quartz electrolytic cell)에 위치시키고, 전해조 내부에 Na2SO4(0.5 M)과 Na2SO3(0.5 M)가 용해된 전해질(pH 9.3)을 채워 넣음으로써 광전기화학셀을 제작하였다.
A Pt wire was used as a counter electrode of the BiVO 4 oxidizing electrode to evaluate the performance of the manufactured photoelectrochemical cell. The two electrodes were placed in a quartz electrolytic cell customized for photoelectrochemical cell performance evaluation, A photoelectrochemical cell was fabricated by filling electrolyte (pH 9.3) in which Na 2 SO 4 (0.5 M) and Na 2 SO 3 (0.5 M) were dissolved in the electrolytic bath.

3. 물성 평가 방법 및 그 결과3. Property evaluation method and result

도 6 내지 도 8에 기재된 Ag-BVO는 BiVO4 박막 내부에 은 나노 입자가 분산되어 있는 전극을 가리키고, Pristine BVO는 BiVO4 박막에 은 나노 입자를 포함하지 않은 전극을 가리킨다. 또한, Ag-BVO(4, 8, 12, 16mM)는 각각의 전극 제조 과정에서 비스무스, 바나듐 전구체 전체 100중량부에 대하여, 은 전구체가 5, 10, 15, 20중량부로 첨가되어 제조된 전극을 가리킨다.
6 to Ag-BVO described in Figure 8 is inside BiVO 4 denotes a thin film electrode which is dispersed nanoparticles, Pristine BVO is the BiVO 4 thin film refers to the electrode that do not contain nanoparticles. In addition, Ag-BVO (4, 8, 12, 16 mM) was prepared by adding 5, 10, 15 and 20 parts by weight of silver precursor to 100 parts by weight of the entire bismuth and vanadium precursor Point.

도 5는 광전기화학셀 전극의 TEM-energy dispersive X-ray spectrometer(EDS) mapping을 수행한 결과로, 조성 분석을 통해 은 나노 입자의 존재를 확인할 수 있다.FIG. 5 shows the results of TEM-energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) mapping of photoelectrochemical cell electrodes. The existence of silver nanoparticles can be confirmed through composition analysis.

도 5의 결과로부터 바나듐, 비스무스, 은 나노 입자가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, FTO(F-doped SnO2) 표면에 은 나노 입자(Ag NPs)를 포함하는 BiVO4 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다.
It can be seen from the results of FIG. 5 that vanadium, bismuth and silver nanoparticles are uniformly distributed and that a BiVO 4 thin film containing silver nanoparticles (Ag NPs) is formed on the surface of FTO (F-doped SnO 2 ) .

도 6은 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of the photoelectrochemical cell electrode according to the present invention.

도 6을 참조하면, 박막의 결정상 형성을 확인할 수 있는데, Pristine BVO의 회절 피크는 monoclinic BVO(수직 점선)와 FTO에서 기인한 피크로 구성되어 있으며, Ag-BVO의 회절 피크는 Pristine BVO의 경우와 매우 유사한 것을 통해 monoclinic BVO 외에 다른 상은 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
6, the diffraction peak of Pristine BVO is composed of monoclinic BVO (vertical dotted line) and the peak due to FTO, and the diffraction peak of Ag-BVO is in the case of Pristine BVO Very similar results show that no other phase other than monoclinic BVO is formed.

도 7은 본 발명의 은 나노 입자의 플라즈모닉 효과에 따른 UV-vis 스펙트럼으로, Pristine BVO 대비 Ag-BVO의 빛 흡수도가 높은 것을 확인할 수 있다. FIG. 7 shows UV-vis spectra according to the plasmonic effect of the silver nanoparticles of the present invention, indicating that Ag-BVO has a higher light absorption than Pristine BVO.

특히, Ag-BVO(16mM)는 다른 전극들에 비해, 은 나노 입자의 함량이 증가했기 때문에 빛 흡수도가 높은 것을 알 수 있다.In particular, Ag-BVO (16 mM) has higher light absorption than other electrodes because the content of silver nanoparticles is increased.

따라서, 은 나노 입자가 태양광 에너지에 공명하여 플라즈모닉 효과가 발생함으로써 금속 나노 입자들이 태양광, 특히, 가시광선 영역의 빛을 효율적으로 흡수함을 확인할 수 있다. 결과적으로 금속 나노 입자가 형성된 전극의 향상된 빛 흡수도에 의해 전극의 물 분해 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
Therefore, it can be confirmed that the metal nanoparticles efficiently absorb the light of the sunlight, in particular, the visible light region, because the silver nanoparticles resonate with the solar light energy to generate the plasmonic effect. As a result, it can be seen that the water decomposition performance of the electrode is improved by the improved light absorption of the electrode formed with the metal nanoparticles.

도 8은 본 발명에 따른 광전기화학셀 전극의 성능 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 전압과 광전류 밀도는 Autolab PGSTAT302N을 이용하여 측정하였다.8 is a graph showing a result of measuring the performance of a photoelectrochemical cell electrode according to the present invention. Voltage and photocurrent density were measured using Autolab PGSTAT302N.

도 8에 도시한 바와 같이, Pristine BVO의 광전류 밀도 대비 Ag-BVO의 광전류 밀도가 월등히 높은 결과를 보여준다.As shown in FIG. 8, the photocurrent density of Ag-BVO versus the photocurrent density of Pristine BVO is much higher than that of Pristine BVO.

광전류 밀도는 RHE 기준, 1.23V에서 Pristine BVO의 전류 밀도와 비교했을 때, Ag-BVO(4mM)에서 대략 1.5배 이상 증가되었다.
The photocurrent density increased about 1.5 times in Ag-BVO (4mM) compared to the current density of Pristine BVO at 1.23V based on RHE.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (11)

(a) 금속 전구체가 용해된 제1용액과 비스무스(Bi) 전구체와 바나듐(V) 전구체가 용해된 제2용액을 혼합하는 단계;
(b) 혼합된 혼합물을 기판 상에 도포하는 단계; 및
(c) 도포된 결과물을 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 열처리에 의해, BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 분포하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
(a) mixing a first solution in which a metal precursor is dissolved, a second solution in which a bismuth (Bi) precursor and a vanadium (V) precursor are dissolved;
(b) applying the mixed mixture onto a substrate; And
(c) heat treating the coated product,
Wherein the metal nanoparticles having an average particle size of 10 nm or less are distributed in the BiVO 4 thin film by the heat treatment.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 혼합은 금속 나노 입자가 형성되도록 100℃ 이하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the mixing is performed at 100 ° C or less so as to form metal nanoparticles.
제1항에 있어서,
상기 금속은 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal comprises silver (Ag).
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 금속 전구체가 용해된 제1용액은
비스무스(Bi) 전구체 및 바나듐(V) 전구체 100중량부에 대하여, 금속 전구체 0.1~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the first solution, in which the metal precursor is dissolved,
Wherein the metal precursor comprises 0.1 to 30 parts by weight of a metal precursor based on 100 parts by weight of a bismuth (Bi) precursor and a vanadium (V) precursor.
제1항에 있어서,
상기 도포는 스프레이 코팅, 바 코팅 또는 스핀 코팅으로 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the application is performed by spray coating, bar coating or spin coating.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 200~600℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed at 200 to 600 ° C.
제1항에 있어서,
상기 BiVO4 박막의 두께는 0.01~10㎛인 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the BiVO 4 thin film has a thickness of 0.01 to 10 탆.
BiVO4 박막 내부에 평균 입경이 10nm 이하인 금속 나노 입자가 분포하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극.
Wherein the metal nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm or less are distributed inside the BiVO 4 thin film.
제8항에 있어서,
상기 금속은 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극.
9. The method of claim 8,
Wherein the metal comprises silver (Ag).
제8항에 있어서,
상기 전극은 BiVO4 박막 100중량부에 대하여, 금속 나노 입자 0.1~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극.
9. The method of claim 8,
Wherein the electrode comprises 0.1 to 30 parts by weight of metal nanoparticles per 100 parts by weight of the BiVO 4 thin film.
제8항에 있어서,
상기 BiVO4 박막의 두께는 0.01~10㎛인 것을 특징으로 하는 광전기화학셀 전극.
9. The method of claim 8,
Wherein the thickness of the BiVO 4 thin film is 0.01 to 10 μm.
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