KR20190083511A - Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof - Google Patents

Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20190083511A
KR20190083511A KR1020180001245A KR20180001245A KR20190083511A KR 20190083511 A KR20190083511 A KR 20190083511A KR 1020180001245 A KR1020180001245 A KR 1020180001245A KR 20180001245 A KR20180001245 A KR 20180001245A KR 20190083511 A KR20190083511 A KR 20190083511A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
titanium
hematite
feooh
boron
doped
Prior art date
Application number
KR1020180001245A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102017104B1 (en
Inventor
장지현
윤기용
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 KR1020180001245A priority Critical patent/KR102017104B1/en
Publication of KR20190083511A publication Critical patent/KR20190083511A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102017104B1 publication Critical patent/KR102017104B1/en

Links

Images

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
    • C25B11/053Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • C25B11/0405
    • C25B1/003
    • 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
    • C25B11/041
    • C25B11/0478
    • 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
    • C25B11/055Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • 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
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/133Renewable energy sources, e.g. sunlight

Abstract

The present invention relates to a photoanode including hematite heterogeneously doped with titanium and boron, and a manufacturing method thereof. More specifically, the hematite photoanode heterogeneously doped with titanium and boron reduces the number of Ti^(4+) and Sn^(4 +) ions causing an electronic-hole pair (EHP) recombination on a surface of hematite, and generates an inner electric field to facilitate hole extraction such that a maximum length (500 to 600 nm) of the well-known hematite with the most excellent photoelectrochemical (PEC) performance is increased up to 890 nm. Accordingly, a chronic short hole diffusion length problem causing a high electronic-hole recombination speed can be removed and thus, the hematite photoanode heterogeneously doped with titanium and boron can be usefully applied as a photoanode for a hydrolysis PEC cell.

Description

티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 및 이의 제조방법{Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a photoanode comprising hematite heterodoped with titanium and boron and a method of manufacturing the same.

본 발명은 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드는 높은 전자-정공 재조합 속도를 초래하는 만성 짧은 정공 확산 길이 문제를 해결할 수 있기 때문에 물 분해 PEC 전지로서 매우 유용하게 활용할 수 있는 포토애노드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photodeode comprising hematite heterogeneously doped with titanium and boron and a method of making the same, and more particularly to a photodeode comprising hematite heterogeneously doped with titanium and boron, The present invention relates to a photoanode and a method for manufacturing the same, which can be very useful as a water-decomposable PEC battery because it can solve the problem of short-length short hole diffusion length which causes a high speed.

에너지 소비가 증가함에 따라, 환경문제도 크게 증가하고 있다. 청정, 저비용, 및 재생 에너지원의 개발은 에너지적 측면 및 환경적 측면 모두를 충족시키는 중요한 과제 중 하나이다.As energy consumption increases, environmental problems are also increasing. The development of clean, low-cost, and renewable energy sources is one of the important challenges to meet both energy and environmental aspects.

태양광, 바이오매스, 및 지열에너지는 에너지적 측면 및 환경적 측면 모두를 충족시킬 수 있는 청정하고, 재생가능한 에너지원으로 제시되고 있다. 물분해는 광전기화학(photoelectrochemical; 이하 'PEC') 전지에서 태양에너지에 의해 수소가스를 생성하는 반응 메카니즘이다.Solar, biomass, and geothermal energy are presented as clean, renewable sources of energy that can meet both energy and environmental aspects. Water decomposition is a reaction mechanism that generates hydrogen gas by solar energy in photoelectrochemical (PEC) cells.

PEC 전지는 포토애노드(photoanode)와 상대전극의 두 부분으로 이루어져 있으며, 상기 포토애노드(photoanode)는 산소발생반응(oxygen evolution reaction; 이하 'OER', 2H2O+4h+ → O2+4H+)이 일어나며, 또한 상기 상대전극은 수소발생반응(hydrogen evolution reaction; 이하 'HER', 4H++4e- → 2H2)이 발생한다.The PEC cell is composed of two parts, a photoanode and a counter electrode. The photoanode generates an oxygen evolution reaction (OER ', 2H 2 O + 4h + ? O 2 + 4H + ) And a hydrogen evolution reaction (hereinafter referred to as 'HER', 4H + + 4e - ? 2H 2 ) occurs in the counter electrode.

이렇게 태양광에 의해 수소 및 산소 가스가 발생되는 물 분해용 PEC 전지의 성능 향상은 에너지 및 환경 분야에서 중요한 문제로 대두되고 있고, 이에 값싸고 깨끗한 에너지에 대한 강한 요구가 있다. TiO2, ZnO, BiVO4 및 α-Fe2O3와 같은 금속-산화물 반도체는 PEC 물 분해 시스템에 적합한 포토애노드로서 널리 연구되어 왔다. The performance improvement of PEC cell for water decomposition, in which hydrogen and oxygen gas are generated by sunlight, is becoming an important problem in energy and environment field, and there is strong demand for cheap and clean energy. Metal-oxide semiconductors such as TiO 2 , ZnO, BiVO 4 and α-Fe 2 O 3 have been extensively studied as photoanodes suitable for PEC water decomposition systems.

헤마타이트(α-Fe2O3)는 AM 1.5G 조명 하에서 이론적인 태양-대-수소(STH) 효율(16.8 %), 저렴한 비용, 가시광 흡수를 위한 적절한 밴드 갭(1.8-2.2 eV), 알칼리 및 중성 전해질에서의 우수한 화학적 안정성으로 인해 PEC 시스템을 위한 이상적인 산화-금속 포토애노드이다. 그러나 헤마타이트는 높은 전자-정공 재조합 속도를 가져서 짧은 정공-확산 길이(2-4nm), 나쁜 전도성 및 표면 결함을 야기하기 때문에 헤마타이트의 이론적인 STH 효율의 실현은 여전히 제한적이다. 또한, 낮은 흡수 계수, 낮은 OER 활성 및 느린 전하 이동 동역학으로 인해 헤마타이트의 PEC 성능을 더욱 감소시킨다.Hematite (α-Fe 2 O 3 ) has the theoretical solar-to-hydrogen (STH) efficiency (16.8%), low cost, suitable bandgap for visible light absorption (1.8-2.2 eV) And are ideal oxidation-metal photodiodes for PEC systems due to their excellent chemical stability in neutral electrolytes. However, the realization of the theoretical STH efficiency of hematite is still limited, because the hematite has a high electron-hole recombination rate resulting in short hole-diffusion length (2-4 nm), poor conductivity and surface defects. It further reduces the PEC performance of the hematite due to its low absorption coefficient, low OER activity, and slow charge mobility kinetics.

이러한 단점을 극복하기 위해 도핑, 나노구조의 합성 및 OER 촉매 증착과 같은 다양한 전략들이 도입되었다. 그 중에서도 헤마타이트에서 도판트의 사용은 전도성을 높이고 α-Fe2O3의 PEC 성능을 향상시키기 위해 널리 사용되어 왔다. 원소 도핑은 금속 이온 도펀트(n형 도펀트: Ti4 +, Sn4 +, Pt4 +, 및 Zr4 + 및 p형 도펀트: Mg2 +, Zn2 +, Ag+ 및 Cu2 +), 및 Si 및 P과 같은 비금속 도펀트를 이용한다. α-Fe2O3의 n형 도펀트는 일반적으로 근처의 Fe3 + 부위에 전자를 도입하여 Fe3 +를 Fe2 +로 환원시키고 격자 변형으로 폴라론 호핑(polaron hopping) 확률을 증가시켜 헤마타이트의 전기 전도도를 향상시킨다. 또한 도너 농도를 증가시키고 전자의 유효 질량을 줄임으로써 전하 이동을 향상시킨다. To overcome these shortcomings, various strategies such as doping, synthesis of nanostructures and OER catalyst deposition have been introduced. Among them, the use of dopants in hematite has been widely used to improve the conductivity and improve the PEC performance of? -Fe 2 O 3 . The elemental doping is performed by doping a metal ion dopant (n type dopants: Ti 4 + , Sn 4 + , Pt 4 + , and Zr 4 + and p type dopants: Mg 2 + , Zn 2 + , Ag + and Cu 2 + And a non-metal dopant such as P is used. The n-type dopant of α-Fe 2 O 3 generally reduces the Fe 3 + to Fe 2 + by introducing electrons into the nearby Fe 3 + region and increases the probability of polaron hopping by lattice transformation, Thereby enhancing the electrical conductivity. It also improves charge transfer by increasing the donor concentration and reducing the effective mass of electrons.

p형 도펀트는 헤마타이트의 밸런스 밴드 위의 추가 상태를 생성하고 표면에서 p-n 접합을 형성한다. p-n 접합은 증가된 내장 전위로 인해 보충적인 전하 분리 구동력을 제공함으로써 전하 재조합을 효과적으로 감소시킨다. 유사하게, 가볍게 도핑된 반도체와 고농도 도핑된 반도체 간의 계면을 야기하는 n-n+ 호모-접합은 에너지 밴드의 경미한 벤딩을 유도함으로써 반도체와 금속 접촉부 사이의 접촉 저항을 줄이는 데 사용되어 왔다. The p-type dopant creates an additional state on the balance band of the hematite and forms a pn junction at the surface. The pn junction effectively reduces charge recombination by providing a complementary charge-coupled driving force due to the increased internal potential. Similarly, nn + homo-junctions, which cause the interface between lightly doped semiconductors and heavily doped semiconductors, have been used to reduce the contact resistance between semiconductor and metal contacts by inducing slight bending of the energy band.

지금까지 헤마타이트를 위한 비금속 도펀트로서 Si와 P만 보고되어 있다. 비금속 도핑된 헤마타이트의 전자 전도성은 Si 및 P의 높은 전자 캐리어 전위 때문에 Si-O 및 P-O의 공백 반경 궤도에서 전자를 포획하는 것은 어렵기 때문에 비금속 도핑된 헤마타이트의 전자 전도성이 금속 도핑된 헤마타이트의 전자 전도성보다 더 높다. 따라서, 비금속 도펀트는 α-Fe2O3 격자에서 원래의 폴라론 호핑 메카니즘을 통해 전하 이동을 방해하지 않으며 헤마타이트의 PEC 성능을 향상시킨다.So far, only Si and P have been reported as nonmetal dopants for hematite. The electron conductivity of the non-metal doped hematite is difficult to capture electrons in the free radial orbit of Si-O and PO due to the high electron carrier potentials of Si and P, so that the electron conductivity of the nonmetallically doped hematite is less than that of metal doped hematite ≪ / RTI > Thus, non-metallic dopants do not interfere with charge transport through the original polarophone hopping mechanism in the? -Fe 2 O 3 lattice and enhance the PEC performance of the hematite.

한편, 높은 전자-정공 재조합 속도를 초래하는 만성 짧은 정공 확산 길이 문제를 해결할 수 있는 물 분해 PEC 전지용 포토애노드에 대한 연구 개발은 여전히 필요한 실정이다.On the other hand, there is still a need for research and development on a photoanode for a water-decomposable PEC battery which can solve the problem of chronic short hole diffusion length leading to a high electron-hole recombination speed.

대한민국 등록특허 제1520260호Korean Patent No. 1520260

본 발명의 목적은 높은 전자-정공 재조합 속도를 초래하는 만성 짧은 정공 확산 길이 문제를 해결할 수 있는 물 분해 PEC 전지용 포토애노드 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide a photoanode for a water-decomposable PEC battery and a method of manufacturing the same, which can solve the problem of short, short-hole-diffusion length leading to a high electron-hole recombination speed.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명전극 기판; 및 상기 투명전극 기판 상에 로드(rod) 형상으로 이루어진 티타늄 및 붕소가 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토에노드를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a transparent electrode substrate, And a photodiode comprising titanium and boron-doped hematite in a rod shape on the transparent electrode substrate.

또한, 본 발명은 상기 포토애노드를 포함하는 물 분해용 광전기화학 전지(PEC cell)를 제공한다.The present invention also provides a photoelectrochemical cell (PEC cell) for decomposing water containing the photoanode.

또한, 본 발명은 티타늄 공급원 및 철 공급원을 혼합하여 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 투명전극 기판을 침지시켜 열수 성장법을 통해 투명전극 기판 상에 티타늄이 도핑된 FeOOH(Ti-FeOOH)를 성장시키는 단계; 상기 Ti-FeOOH가 성장된 투명전극 기판을 붕산 용액에 침지시킨 후 열처리하여 티타늄과 붕소가 도핑된 헤마타이트(Ti:B-Fe2O3)를 합성하는 단계; 및 상기 Ti:B-Fe2O3를 세정하고, 건조하는 단계를 포함하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마테이트를 포함하는 포토에노드 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for preparing a solution, comprising: preparing a solution by mixing a titanium source and an iron source; Immersing the transparent electrode substrate in the solution to grow FeOOH (Ti-FeOOH) doped with titanium on the transparent electrode substrate through hydrothermal growth; Synthesizing a: (B-Fe 2 O 3 Ti); the Ti-FeOOH the growth was the transparent electrode substrate is immersed in acid solution after heat treatment to a titanium and boron-doped hematite And wherein the Ti: B-Fe 2 O 3 cleaning, and provides a method for producing the photo-node containing a heterologous doped Hema Tate by including the step of drying, the titanium and boron.

본 발명에 따른 티타늄과 붕산 이종 도핑 헤마타이트 포토애노드는 높은 전자-정공 재조합 속도를 야기하는 만성 짧은 정공 확산 길이 문제와 이에 따른 헤마타이트의 임계 길이 제한을 해결하는 기술로서, 헤마타이트 표면에서 EHP 재조합을 야기하는 Ti4 +와 Sn4 + 이온의 수를 감소시킬 뿐 아니라, 내부 전계를 발생시켜 손쉽게 정공 추출을 가능하게 함으로써 종래 알려진 가장 우수한 PEC 성능을 갖는 헤마타이트의 최대 길이(500 nm 내지 600 nm)를 890 nm까지 증가시킬 수 있다. 특히, 890 nm의 길이와 70 nm의 직경을 갖는 티타늄과 붕소 이종 도핑된 헤마타이트는 재조합이 훨씬 적은 EHP로 입사 광자를 변환시키고, 1.23 VRHE에서 1.92 mA/cm2, 1.50 VRHE에서 2.83 mA/cm2의 우수한 광전류 밀도를 나타내었다.The titanium and boric acid heterodoped hematite photoanode according to the present invention is a technique to solve the problem of chronic short hole diffusion length resulting in a high electron-hole recombination rate and accordingly the critical length limitation of hematite. In the case of EHP recombination as well as to reduce the number of Ti 4 + and Sn 4 + ions to cause, easy to generate the internal electric field by allowing the hole extraction known in the art the best PEC performance hematite maximum length (500 nm to having 600 nm ) Can be increased to 890 nm. In particular, with a diameter of length and 70 nm of 890 nm of titanium and boron two kinds of doped hematite converts incident photons in a much less recombinant EHP and, 1.92 mA / cm 2, 1.50 V RHE at 2.83 mA at 1.23 V RHE / cm < 2 & gt ;.

도 1은 Ti:B-Fe2O3의 제작 모식도(a), Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 XRD 데이터(b), Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3에 대한 XPS 분석 결과(c, d, e)를 나타낸 것이고,
도 2는 에너지 밴드 다이아그램과 전하 이동 공정의 모식도(a: Ti-Fe2O3, b: Ti:B-Fe2O3)를 나타낸 것이고(rb는 재조합을 의미함),
도 3은 Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 성장주기에 따른 광전류 밀도(a), Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 I-V 곡선(b), 1.50 VRHE에서 측정한 Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 IPCE(c), 1.50 VRHE, 조명하에서 측정한 Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 Nyquist plot(d)를 나타낸 것이고,
도 4는 FeOOH-Ti:B-Fe2O3-3의 TEM 이미지(a), Ti:B-Fe2O3-3 및 FeOOH-Ti:B-Fe2O3-3의 I-V 곡선(b)을 나타낸 것이고,
도 5는 Fe2O3-1, Ti-Fe2O3-1, B-Fe2O3-1 및 Ti:B-Fe2O3-1의 SEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 6은 Ti-Fe2O3(a) 및 Ti:B-Fe2O3(b)의 TEM 이미지를 나타낸 것이고,
도 7은 Fe2O3, Ti-Fe2O3, B-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 성장 주기에 따른 UV/Vis 분광분석 결과를 나타낸 것이고,
도 8은 Ti:B-Fe2O3-1의 SEM 이미지(a, e, i), Ti:B-Fe2O3-2의 SEM 이미지(b, f, j), Ti:B-Fe2O3-3의 SEM 이미지(c, g, k), Ti:B-Fe2O3-4의 SEM 이미지(d, h, l)를 나타낸 것이고,
도 9는 Ti-Fe2O3(1.71 eV) 및 Ti:B-Fe2O3(1.35 eV)의 VBM(a), Ti-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3에 대한 2.10 eV 및 2.14 eV의 최적 밴드갭(Eg)을 제공하는 광자 에너지 함수로서 Tauc plot(b)을 나타낸 것이고,
도 10은 Fe2O3, Ti-Fe2O3, B-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 성장 주기에 따른 I-V 곡선을 나타낸 것이고,
도 11은 AM 1.5 태양 시뮬레이터 하에서 1M NaOH 전해질에서 1.23 VRHE에서 18시간 동안 Ti:B-Fe2O3의 안정성 데이터를 나타낸 것이고,
도 12는 Fe2O3, Ti-Fe2O3, B-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 성장 주기에 따른 EIS 데이터를 나타낸 것이다.
1, Ti: B-Fe 2 O 3 produced a schematic view (a), Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3, and Ti of: B-Fe 2 O for 3 XRD data (b), Ti-Fe 2 O 3, And (c, d, e) of XPS analysis of Ti: B-Fe 2 O 3 ,
FIG. 2 is a schematic diagram (a: Ti-Fe 2 O 3 , b: Ti: B-Fe 2 O 3 ) of the energy band diagram and charge transfer process (r b means recombination)
3 is Fe 2 O 3, Ti-Fe 2 O 3, and Ti: photoelectric current density according to the growth period of the B-Fe 2 O 3 (a ), Fe 2 O 3, Ti-Fe 2 O 3, and Ti: B-Fe 2 O 3 of the IV curve (b), 1.50 V RHE a Fe 2 O 3, Ti-Fe 2 O 3, and Ti measured at: IPCE (c) of the B-Fe 2 O 3, 1.50 V RHE, (D) of Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 , and Ti: B-Fe 2 O 3 measured under illumination,
4 is a FeOOH-Ti: B-Fe 2 O 3 -3 of a TEM image (a), Ti: B- Fe 2 O 3 -3 and FeOOH-Ti: B-Fe 2 O 3 -3 of the IV curve (b ),
5 shows SEM images of Fe 2 O 3 -1, Ti-Fe 2 O 3 -1, B-Fe 2 O 3 -1 and Ti: B-Fe 2 O 3 -1,
Figure 6 shows a TEM image of Ti-Fe 2 O 3 (a) and Ti: B-Fe 2 O 3 (b)
FIG. 7 is a graph showing the relationship between Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 , B-Fe 2 O 3 And Ti: B-Fe 2 O 3 , respectively.
8 is a Ti: SEM image of a B-Fe 2 O 3 -1 ( a, e, i), Ti: B-Fe 2 O 3 -2 of the SEM images (b, f, j), Ti: B-Fe 2 O 3 in the SEM image -3 (c, g, k) , Ti: will showing a B-Fe 2 O 3 -4 of the SEM images (d, h, l),
9 is a Ti-Fe 2 O 3 (1.71 eV) , and Ti: 2.10 for the B-Fe 2 O 3: B -Fe 2 O 3 VBM of (1.35 eV) (a), Ti-Fe 2 O 3 and Ti eV and a Tauc plot (b) as a photon energy function providing an optimum band gap (Eg) of 2.14 eV,
FIG. 10 is a graph showing the relationship between Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 , B-Fe 2 O 3 And Ti: B-Fe 2 O 3 ,
11 is under AM 1.5 solar simulator in 1M NaOH electrolyte at 1.23 V RHE for 18 hours Ti: will shown the stability data of the B-Fe 2 O 3,
FIG. 12 is a graph showing the relationship between Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 , B-Fe 2 O 3 And Ti: B-Fe 2 O 3 .

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 투명전극 기판; 및 상기 투명전극 기판 상에 로드(rod) 형상으로 이루어진 티타늄 및 붕소가 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토에노드를 제공한다.The present invention relates to a transparent electrode substrate; And a photodiode comprising titanium and boron-doped hematite in a rod shape on the transparent electrode substrate.

상기 투명전극 기판은, FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, 및 IGZO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The transparent electrode substrate may be any one selected from the group consisting of FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, and IGZO, but is not limited thereto.

상기 티타늄 및 붕소가 도핑된 헤마타이트는, 300 nm 내지 890 nm의 평균 길이와, 50 nm 내지 100 nm의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하다.The titanium and boron doped hematite preferably have an average length of 300 nm to 890 nm and an average diameter of 50 nm to 100 nm.

상기 포토에노드는, FeOOH 박층을 더 포함할 수 있다.The node in the port may further comprise a FeOOH thin layer.

또한, 본 발명은 상기 포토애노드를 포함하는 물 분해용 광전기화학 전지(PEC cell)를 제공한다.The present invention also provides a photoelectrochemical cell (PEC cell) for decomposing water containing the photoanode.

또한, 본 발명은 티타늄 공급원 및 철 공급원을 혼합하여 용액을 준비하는 단계; 상기 용액에 투명전극 기판을 침지시켜 열수 성장법을 통해 투명전극 기판 상에 티타늄이 도핑된 FeOOH(Ti-FeOOH)를 성장시키는 단계; 상기 Ti-FeOOH가 성장된 투명전극 기판을 붕산 용액에 침지시킨 후 열처리하여 티타늄과 붕소가 도핑된 헤마타이트(Ti:B-Fe2O3)를 합성하는 단계; 및 상기 Ti:B-Fe2O3를 세정하고, 건조하는 단계를 포함하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토에노드 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for preparing a solution, comprising: preparing a solution by mixing a titanium source and an iron source; Immersing the transparent electrode substrate in the solution to grow FeOOH (Ti-FeOOH) doped with titanium on the transparent electrode substrate through hydrothermal growth; Synthesizing a: (B-Fe 2 O 3 Ti); the Ti-FeOOH the growth was the transparent electrode substrate is immersed in acid solution after heat treatment to a titanium and boron-doped hematite And wherein the Ti: B-Fe 2 O 3 cleaning, and provides a method for producing the photo-node containing a heterologous doped hematite by including the step of drying, the titanium and boron.

상기 포토에노드 제조방법은, 상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Node production method in the picture is, the Ti: may further comprise the step of depositing a thin layer on the FeOOH B-Fe 2 O 3 surface.

상기 티타늄 공급원은, 염화티타늄(TiCl3), 이산화티타늄(TiO2), 수소화티타늄(TiH2), 사염화티타늄(TiCl4), 질화티타늄(TiN), 및 티타늄이소프로폭사이드(C12H28O4Ti)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The titanium source, titanium chloride (TiCl 3), titanium dioxide (TiO 2), a hydrogenated titanium (TiH 2), titanium tetrachloride (TiCl 4), titanium nitride (TiN), and titanium isopropoxide (C 12 H 28 O 4 Ti), but the present invention is not limited thereto.

상기 철 공급원은, 염화철·6수화물(FeCl3·6H2O), 플루오르화철·수화물(FeF2·xH2O), 황화철·수화물(FeSO4·xH2O), 철아세테이트(Fe(CO2CH3)2) 및 질화철·수화물(Fe(NO3)3·xH2O)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The iron source is ferric chloride, hexahydrate (FeCl 3 · 6H 2 O) , fluorine hwacheol hydrate (FeF 2 · xH 2 O) , iron sulfide hydrate (FeSO 4 · xH 2 O) , iron acetate (Fe (CO 2 CH 3 ) 2 ) and iron nitride hydrate (Fe (NO 3 ) 3 xH 2 O), but the present invention is not limited thereto.

상기 투명전극 기판은, FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, 및 IGZO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The transparent electrode substrate may be any one selected from the group consisting of FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, and IGZO, but is not limited thereto.

상기 투명전극 기판 상에 티타늄이 도핑된 FeOOH(Ti-FeOOH)를 성장시키는 단계는, 상기 용액에 투명전극 기판을 침지시킨 후 30℃에서 100℃까지 1 내지 3시간 동안 열처리한 후, 100℃에서 2 내지 4시간 동안 유지할 수 있다.The step of growing titanium-doped FeOOH (Ti-FeOOH) on the transparent electrode substrate is performed by immersing the transparent electrode substrate in the solution and then performing heat treatment from 30 ° C to 100 ° C for 1 to 3 hours, And can be maintained for 2 to 4 hours.

상기 티타늄과 붕소가 도핑된 헤마타이트를 합성하는 단계는, 상기 Ti-FeOOH가 성장된 투명전극 기판을 붕산 용액에 10분 내지 1시간 동안 침지시킨 후 700 내지 900℃에서 15 내지 30분 동안 열처리할 수 있다.The step of synthesizing the titanium and boron-doped hematite may be performed by immersing the Ti-FeOOH-grown transparent electrode substrate in a boric acid solution for 10 minutes to 1 hour, and then heat-treating at 700 to 900 ° C for 15 to 30 minutes .

상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시키는 단계는, 열수 성장을 통해 상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시킬 수 있다.The Ti: depositing a thin layer on the FeOOH B-Fe 2 O 3 surface, the Ti through hydrothermal growth: it is possible to deposit a thin layer of FeOOH in the B-Fe 2 O 3 surface.

보다 상세하게는, 본 발명의 일실시예에 따르면 헤마타이트 기반의 PEC 물 분해 전지의 성능 향상을 위해 in-situ 및 ex-situ 방법을 통해 금속 이온(Ti4 +) 및 비금속(B) 이종 도핑한 α-Fe2O3(Ti:B-Fe2O3) PEC 물 분해 전지를 제조하였다. Ti:B-Fe2O3를 제조하기 위해, TiCl3 용액을 이용한 수열 공정을 통해 Ti-도핑된 산화철(III)-수산화물(β-FeOOH) 나노로드를 합성한 후, 붕산 용액(H3BO3)에 침지시킨 후 고온 열처리(800 ℃에서 20 분간)를 수행하였다. Ti:B-Fe2O3는 1.23 VRHE에서 1.92 mA의 광전류 밀도를 나타내었으며, 이는 α-Fe2O3에 비해 약 225% 향상된 PEC 활성도를 의미한다. More specifically, according to an embodiment of the present invention, metal ions (Ti 4 + ) and nonmetal (B) are doped by in-situ and ex-situ methods for improving the performance of hematite-based PEC water- And a? -Fe 2 O 3 (Ti: B-Fe 2 O 3 ) PEC water-decomposing cell. Ti: Ti- doped iron oxide to produce a B-Fe 2 O 3, by hydrothermal processes using TiCl 3 solution (III) - hydroxide (β-FeOOH) and then synthesizing the nano-rods, and boric acid solution (H 3 BO 3 ) and then subjected to a high-temperature heat treatment (at 800 ° C for 20 minutes). Ti: B-Fe 2 O 3 has exhibited a photoelectric current density of 1.92 mA at 1.23 V RHE, which means a 225% improvement in PEC activity than the α-Fe 2 O 3.

본 발명에서는 헤마타이트 격자의 금속 이온 농도 감소로 인한 재조합 감소와 Ti:B-Fe2O3 표면에서 n-n+ 접합 형성에 의한 정공 추출에 대한 추가적인 전하 분리 구동력의 시너지 효과가 크며, 더 나아가 Ti:B-Fe2O3 표면에 값싼 OER 촉매(FeOOH)를 넣은 후, FeOOH/Ti:B-Fe2O3의 광전류 밀도는 1.23 VRHE에서 2.35 mA/cm2에 도달하여 n-n+ 접합과 OER 촉매 간의 향상된 전하 이동을 가능하게 하였다.In the present invention, the synergistic effect of the reduction of recombination due to the decrease of the metal ion concentration of the hematite lattice and the additional charge separation driving force for hole extraction by the formation of the nn + junction at the Ti: B-Fe 2 O 3 surface is great, B-Fe 2 O 3, insert the cheap OER catalyst (FeOOH) to the surface, FeOOH / Ti: B-Fe 2 O photoelectric current density of 3 is reached 2.35 mA / cm 2 eseo 1.23 V RHE the nn + junction and OER catalyst Lt; / RTI >

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트 포토애노드 제조Example 1 Preparation of Hematite Photoanode Heterologically Doped with Titanium and Boron

1. Fe1. Fe 22 OO 33 및 Ti 도핑된 Fe And Ti-doped Fe 22 OO 33 포토애노드 제조 Photo anode manufacturing

헤마타이트(α-Fe2O3) 포토애노드는 이전에 알려진 수용성 케미칼 성장 방법과 연이은 고온 열처리 공정을 통해 불소가 도핑된 산화주석(fluorine doped tin oxide; 이하 'FTO') 유리 기판 상에 성장시켰다. 150 mM 염화제이철 6수화물(FeCl36H2O) 100 mL를 함유한 수용액에서 실험을 수행하였다. 상기 용액을 내측 벽에 기대어지는 FTO 유리의 두 개의 연속된 슬립을 포함하는 캡 밀봉된 유리 바이알에 넣었다. 상기 유리 바이알을 프로그램된 온도 제어기를 갖는 강제 대류 오븐에 넣었다. 30℃에서 100℃까지 2시간 동안 가열한 후 3시간 동안 유지하여 β-FeOOH 막대가 FTO 기판 상에 합성되었다. 그 후 탈이온수로 완벽하게 세정하고 N2 가스로 건조하였다. FTO 기판 상에 형성된 β-FeOOH를 로 튜브에 800℃ 20분 동안 넣고 주변 조건에서 꺼내었다. 본 실험을 위해 용액 유래 β-FeOOH 막대 성장을 4회 반복하였다. 각 표지를 Fe2O3-1, Fe2O3-2, Fe2O3-3 및 Fe2O3-4로 나타내었다. Ti 도핑 Fe2O3 포토애노드는 7 ㎕ TiCl3 용액을 150 mM 염화제이철 6수화물(FeCl36H2O) 100 mL에 첨가하여 제조하였다. Ti 도핑 Fe2O3 포토애노드를 제조하는 공정도 4회 반복하였고, 각 표지를 Ti-Fe2O3-1, Ti-Fe2O3-2, Ti-Fe2O3 및 Ti-Fe2O3-4로 나타내었다.The hematite (α-Fe 2 O 3 ) photoanode was grown on a fluorine doped tin oxide (FTO) glass substrate through a previously known water-soluble chemical growth method followed by a high temperature heat treatment process . The experiment was carried out in an aqueous solution containing 100 mL of 150 mM ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O). The solution was placed in a cap-sealed glass vial containing two successive slips of FTO glass leaning against the inner wall. The glass vials were placed in a forced convection oven with a programmed temperature controller. The mixture was heated from 30 ° C to 100 ° C for 2 hours, and then maintained for 3 hours to synthesize a β-FeOOH rod on the FTO substrate. It was then thoroughly rinsed with deionized water and dried with N 2 gas. The β-FeOOH formed on the FTO substrate was placed in a furnace tube at 800 ° C. for 20 minutes and taken out under ambient conditions. For this experiment, solution-derived β-FeOOH rod growth was repeated four times. Each label is represented by Fe 2 O 3 -1, Fe 2 O 3 -2, Fe 2 O 3 -3 and Fe 2 O 3 -4. Ti doped Fe 2 O 3 photoanode was prepared by adding 7 μl TiCl 3 solution to 100 ml of 150 mM ferric chloride hexahydrate (FeCl 3 6H 2 O). Ti-doped Fe 2 O 3 photo process for producing the anode was also repeated four times, each cover-Fe 2 O 3 -1 Ti, Ti-Fe 2 O 3 -2, Ti-Fe 2 O 3 and Ti-Fe 2 O 3 -4.

2. 붕소 도핑 Fe2. Boron doping Fe 22 OO 33 (B-Fe(B-Fe 22 OO 33 ) 및 Ti:B 이종 도핑 Fe) And Ti: B heterodoped Fe 22 OO 33 (Ti:B-Fe(Ti: B-Fe 22 OO 33 ) 포토애노드 제조) Photo anode manufacturing

FTO 기판 상에 형성된 β-FeOOH 막대 또는 Ti 도핑 β-FeOOH를 10 mM 붕산(H3BO3) 용액에 30분 동안 담군 후 탈이온수로 완전하게 세정하고 N2 가스로 건조하였다. 각 시료를 로 튜브에 800℃ 20분 동안 넣고 주변 조건에서 꺼내었다. 붕소 도핑 Fe2O3(B-Fe2O3)를 B-Fe2O3-1, B-Fe2O3-2, B-Fe2O3-3 및 B-Fe2O3-4로 나타내었고, Ti:B 이종 도핑 Fe2O3(Ti:B-Fe2O3)를 Ti:B-Fe2O3-1, Ti:B-Fe2O3-2, Ti:B-Fe2O3-3 및 Ti:B-Fe2O3-4로 나타내었다. The β-FeOOH bar or Ti-doped β-FeOOH formed on the FTO substrate was immersed in 10 mM boric acid (H 3 BO 3 ) solution for 30 minutes, then thoroughly rinsed with deionized water and dried with N 2 gas. Each sample was placed in a furnace tube at 800 ° C for 20 minutes and taken out under ambient conditions. Boron doped Fe 2 O 3 (B-Fe 2 O 3) a B-Fe 2 O 3 -1, B-Fe 2 O 3 -2, B-Fe 2 O 3 -3 and B-Fe 2 O 3 -4 exhibited by, Ti: B doping two kinds of Fe 2 O 3 (Ti: B -Fe 2 O 3) a Ti: B-Fe 2 O 3 -1, Ti: B-Fe 2 O 3 -2, Ti: B- Fe 2 O 3 -3 and Ti: B-Fe 2 O 3 -4.

도 1(a)에서 Ti:B-Fe2O3 제조공정의 개략도를 나타내었고, 열처리 공정 동안 붕소 이온이 Ti-Fe2O3 표면으로 확산된 후 표면 영역에서 Ti-Fe2-xBxO3 화합물이 합성되었다. Ti:B-Fe2O3의 밴드 갭을 증가시킨 바깥 Fe2-xBxO3층의 존재는 종래 알려진 보고와 같이 UV-vis spectroscopy와 Tauc plot에 의해 확인하였다(도 7 및 도 9).FIG. 1 (a) shows a schematic diagram of a process for producing Ti: B-Fe 2 O 3. After the boron ions are diffused to the surface of Ti-Fe 2 O 3 during the heat treatment process, Ti-Fe 2-x B x O 3 compound was synthesized. The presence of the outer Fe 2-x B x O 3 layer with an increase in the bandgap of Ti: B-Fe 2 O 3 was confirmed by UV-vis spectroscopy and Tauc plot as previously reported (Figs. 7 and 9) .

<실시예 2> 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트 포토애노드의 성능 평가&Lt; Example 2 > Performance evaluation of hematite photodiodes heterogeneously doped with titanium and boron

도 5는 Fe2O3, Ti-Fe2O3, 및 Ti:B-Fe2O3의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. Ti:B-Fe2O3의 직경은 붕산 용액에서 Ti-FeOOH의 가벼운 부식으로 인해 Ti-Fe2O3보다 조금 더 작을지라도 Ti:B-Fe2O3는 원래 Fe2O3 및 Ti-Fe2O3의 전반적인 웜과 유사한 형태를 유지하였다. XRD 데이터 (도 1(b))에 나타난 것과 같이, 헤마타이트의 격자에서 전자 전달에 중요한 역할을 하는 (110) 면은 Ti와 B의 이종 도핑에 의해 열화되지 않았다. 5 shows SEM images of Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 , and Ti: B-Fe 2 O 3 . Ti: The diameter of B-Fe 2 O 3 is caused in the boric acid solution with a small erosion of the Ti-FeOOH even slightly less than the Ti-Fe 2 O 3 Ti: B-Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 and the original Ti- Fe 2 O 3 . As shown in the XRD data (Fig. 1 (b)), the (110) plane, which plays an important role in electron transfer in the lattice of the hematite, was not degraded by the heterodoping of Ti and B.

Ti:B-Fe2O3의 표면 특성을 밝히기 위해, 도 1(c)와 같이 X-선 광전자 분광분석(XPS)을 수행하였다. B1s 영역의 XPS 스펙트럼은 Ti-B, Fe-B-O 및 Ti-B-O의 결합 에너지(BE)에 각각 상응하는 188.8, 190.3 및 192.0 eV를 중심으로 3개의 피크로 분리되었다. 187.9 eV와 188.3 eV의 결합 에너지(BE)를 갖는 Fe-B와 Fe2-B의 산소 결합은 B1s 전자 밀도를 감소시켰고 Fe-B-O의 BE는 187.9 eV의 Fe-B로부터 190.3 eV로 증가하였다. 192.0 eV의 XPS 신호는 Ti-B-O의 BE에 해당하며, 이는 헤마타이트에서 B의 간극 도핑을 의미한다. B2O3의 BE가 XPS 피크에서 192.0 eV에서 검출되었지만, Fe2O3 상의 외부 B2O3 층은 고 알칼리성 용액(1M NaOH)에서의 약한 화학적 안정성으로 인해 TEM 이미지(도 6)에서 관찰되지 않았다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was carried out as shown in FIG. 1 (c) in order to reveal the surface characteristics of Ti: B-Fe 2 O 3 . The XPS spectrum of the B1s region was separated into three peaks centered at 188.8, 190.3 and 192.0 eV corresponding to the binding energy (BE) of Ti-B, Fe-BO and Ti-BO, respectively. The oxygen binding of Fe-B and Fe 2 -B with binding energy of 187.9 eV and 188.3 eV decreased the B1s electron density and the BE of Fe-BO increased from Fe-B of 190.7 eV to 190.3 eV. The XPS signal at 192.0 eV corresponds to the BE of Ti-BO, which implies the gap doping of B in the hematite. BE of B 2 O 3 was detected at 192.0 eV at the XPS peak, but Fe 2 O 3 The external B 2 O 3 layer on the substrate was not observed in the TEM image (FIG. 6) due to the weak chemical stability in the highly alkaline solution (1 M NaOH).

도 1(d)에 나타난 바와 같이, Ti-Fe2O3의 경우 459.0 eV(Ti 2P3/ 2)과 465.0 eV (Ti 2P1/ 2)에 두 개의 피크가 있고, 이는 Fe2O3에 Ti4 +가 있음을 의미한다. Ti-Fe2O3의 표면에 B 이온을 가한 후, Ti 2P3/2의 하향 이동된 XPS 피크는 458.3 eV에서 나타났으며, 이는 Ti3 + 종의 생성에 따른 것이다. Ti 2P3/2 및 Ti 2P1/2의 전체 XPS 피크는 감소하였고, 이는 헤마타이트의 격자에서 치환된 Ti 이온이 붕소 이온으로 대체되었음을 의미한다. B3+는 전하 보상 메커니즘을 통해 Ti4 +에 전자를 제공하기 때문에 Ti:B-Fe2O3에서 Ti3 +가 생성되었다. In Figure 1. As shown in (d), Ti-Fe 2 O 3 in the case 459.0 eV (Ti 2P 3/2 ) and have two peaks at 465.0 eV (Ti 2P 1/2 ), which Fe 2 O 3 Ti 4 + is present. After adding B ions to the surface of Ti-Fe 2 O 3 , the downward shifted XPS peak of Ti 2 P 3/2 appeared at 458.3 eV, which is due to the formation of Ti 3 + species. The overall XPS peaks of Ti 2P 3/2 and Ti 2P 1/2 were reduced, which means that the Ti ions substituted in the lattice of the hematite were replaced by boron ions. B 3+ is due to provide electrons to Ti + 4 via the charge compensation mechanism Ti: Fe 2 O 3 is in the-B Ti + 3 was produced.

도 1(e)에서 알 수 있듯이 Ti-Fe2O3와 Ti:B-Fe2O3는 모두 각각 Sn 3d5 /2 및 Sn 3d3 /2의 BE에 해당되는 486.4 및 494.4 eV에서 Sn 3d 피크를 나타내었다. 이는 Sn4 + 이온은 고온 변환 과정에서 FTO 기판에서 헤마타이트 격자로 확산하는 것(800 ℃에서 20 분간 Ti:B-FeOOH/FTO에서 Ti:B-Fe2O3/FTO로)으로 알려져 있다. Ti:B-Fe2O3에서의 Sn4 + 이온의 피크 강도는 도 1(e)에 나타난 바와 같이 Ti-Fe2O3의 것보다 더 낮았다. 이는 Fe(+3)과 동일한 원자가 B(+3)가 H3BO3 처리로 손쉽게 Sn(+4)보다 더 쉽게 헤마타이트에 도핑을 도왔다는 것을 의미한다.Figure 1 (e) As shown in the Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 are all respectively Sn 3d 5/2, and Sn 3d 3 / at 486.4 and 494.4 eV corresponding to the BE of 2 Sn 3d Peak. This is because the Sn 4 + ions are known to diffuse from the FTO substrate to the hematite lattice during the high temperature conversion process (from Ti: B-FeOOH / FTO to Ti: B-Fe 2 O 3 / FTO at 20O 0 C for 20 minutes). The peak intensity of Sn 4 + ion in Ti: B-Fe 2 O 3 was lower than that of Ti-Fe 2 O 3 as shown in FIG. 1 (e). This means that the same valence B (+3) as Fe (+3) facilitates the doping of hematite more easily than Sn (+4) by treatment with H 3 BO 3 .

<< 실시예Example 3> 티타늄 및 붕소로 이종  3> Heterogeneous to titanium and boron 도핑된Doped 헤마타이트Hematite 포토애노드의Photo anode 효과 검토 Review effects

이하에서는 Ti:B-Fe2O3에서 n-n+ 호모-접합의 생성과 전하 이동 과정에서의 헤마타이트의 Ti 및 B의 이종 도핑에 따른 긍정적 효과에 대해 살펴본다.Hereinafter, the positive effects of heterodoping of Ti and B of hematite on the formation of nn + homo-junction and charge transfer in Ti: B-Fe 2 O 3 will be described.

Ti:B-Fe2O3의 가전자대 최대(VBM)는 1.71 eV의 Ti-Fe2O3(도 9a)와 비교하여 상위 레벨(1.35 eV)에 위치하고 있으며, 이는 정공 추출을 위한 내부 전계 생성을 의미한다. Tauc 플롯(도 9b)에 나타난 바와 같이, Ti-Fe2O3와 Ti:B-Fe2O3의 광학 밴드 갭은 각각 2.10 eV과 2.14 eV였다. 도 2에 나타난 바와 같이, VBM과 광 밴드 갭을 결합하여 전해질에서 n-n+ 호모 접합을 갖는 n형 반도체(Ti-Fe2O3)의 에너지 밴드 갭 다이어그램을 그렸다.The maximum valence band (VBM) of Ti: B-Fe 2 O 3 is located at a high level (1.35 eV) as compared with 1.71 eV of Ti-Fe 2 O 3 (FIG. 9A) . As shown in the Tauc plot (FIG. 9B), the optical bandgaps of Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 were 2.10 eV and 2.14 eV, respectively. As shown in FIG. 2, an energy band gap diagram of an n-type semiconductor (Ti-Fe 2 O 3 ) having an nn + homojunction in an electrolyte was formed by combining a VBM and a photonic bandgap.

도 2(a, I)에 나타난 바와 같이, 전하 추출을 위한 특별한 구동력의 부재로 인해 재조합 된 벌크 영역에서 생성된 전자-정공쌍(EHPs)은 밴드 벤딩에 의해 생성된 공간 전하 영역(SCR)의 정공만이 Ti-F2O3에서 전해질로 방출되었다.As shown in FIG. 2 (a, I), the electron-hole pairs (EHPs) generated in the recombined bulk region due to the absence of the special driving force for the charge extraction, Only holes were released to the electrolyte from Ti-F 2 O 3 .

또한, 치환된 Ti4 + 및 Sn4 + 이온이 헤마타이트의 전도성을 향상시키는 것으로 보고되었지만, Ti-F2O3 표면 근처의 Ti4 + 및 Sn4 + 이온은 재조합 부위가 되며, α-Fe2O3의 전도대 최소(CBM) 근처 격자에서 금속 도핑을 통해 생성된 구조적 변화로 인해 헤마타이트와 전해질 사이의 전하 이동을 방해하여 PEC 성능을 저하시킨다. 한편, Ti:B-Fe2O3의 벌크 Ti-Fe2O3 영역으로부터의 정공은 Ti-Fe2 - xBxO3 층에 의해 유도된 내부 전기장으로 인해 전해질 속으로 쉽게 방출되어 도 2b (II)와 같이 재조합을 의미있게 감소시켰다. It is also reported that substituted Ti 4 + and Sn 4 + ions improve the conductivity of the hematite, but Ti 4 + and Sn 4 + ions near the Ti-F 2 O 3 surface become recombination sites and α-Fe 2 O 3 due to structural changes generated by metal doping in the lattice near the conduction band minimum (CBM), which impedes the charge transfer between the hematite and the electrolyte, thereby degrading the PEC performance. On the other hand, Ti: B-Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 of the bulk-Ti The holes from the region were easily released into the electrolyte due to the internal electric field induced by the Ti-Fe 2 - x B x O 3 layer, which significantly reduced the recombination as in Figure 2b (II).

또한, XPS 데이터에서 입증된 바와 같이, Ti:B-Fe2O3의 표면에서 격자의 구조 변화는 Ti:B-Fe2O3의 표면에서 감소된 Ti4 + 및 Sn4 + 이온으로 인해 최소화되었으며, ex-situ B-도핑 공정 (II) 동안 붕소 이온의 짧은 확산 길이로 인해 벌크 영역 내의 Ti4 + 및 Sn4 + 이온은 동일하게 유지되었다. 그러므로 본 발명에 따른 in-situ 및 ex-situ 공동 도핑 방법은 헤마타이트의 가장자리에서 재조합을 감소시켰을 뿐만 아니라 헤마타이트 내부의 전도도를 증가시켜 전반적인 PEC 성능을 향상시켰다.In addition,, Ti as it demonstrated in the XPS data: Structure of the grating on the surface of B-Fe 2 O 3 is a Ti: minimized because of the Ti 4 +, and Sn 4 + ions reduced at the surface of the B-Fe 2 O 3 And the Ti 4 + and Sn 4 + ions in the bulk region remained the same due to the short diffusion length of boron ions during the ex-situ B-doping process (II). Therefore, the in situ and ex-situ co-doping methods according to the present invention not only reduced recombination at the edges of hematite but also increased the conductivity inside the hematite, thereby improving the overall PEC performance.

도 3a는 시료의 길이에 따라 AM 1.5 태양 시뮬레이터 하에서 1M NaOH 용액에서 1.23 VRHE에서 Fe2O3, Ti-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 광전류 밀도를 나타낸 것이다. 각 시료의 길이는 300 nm, 630 nm, 890 nm 및 1.45 ㎛로 설정되었고 성장주기는 1에서 4 배로 증가시켰다(도 5).FIG. 3A shows photocurrent density of Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 at 1.23 V RHE in a 1M NaOH solution under an AM 1.5 solar simulator according to the length of the sample. The length of each sample was set at 300 nm, 630 nm, 890 nm and 1.45 μm, and the growth period was increased from 1 to 4 times (FIG. 5).

도 8에 나타난 바와 같이, 헤마타이트 덩어리의 도메인 크기는 또한 성장주기의 증가에 따라 200 nm에서 0.62 ㎛, 1.54 ㎛ 및 3.92 ㎛로 증가하였다. 헤마타이트의 포토애노드는 길이에 따라 Fe2O3-1 (300 nm), Fe2O3-2 (630 nm), Fe2O3-3 (890 nm) 및 Fe2O3-4 (1.45 ㎛)로 표시되며 다른 시료도 같은 방식으로 명명하였다. 각 포토애노드의 I-V 곡선은 도 10에 요약되어 있다.As shown in Fig. 8, the domain size of the hematite lump also increased from 200 nm to 0.62 mu m, 1.54 mu m, and 3.92 mu m as the growth period increased. The photoanode of the hematite is composed of Fe 2 O 3 -1 (300 nm), Fe 2 O 3 -2 (630 nm), Fe 2 O 3 -3 (890 nm) and Fe 2 O 3 -4 ㎛) and other samples were named in the same way. The IV curves of each photoanode are summarized in FIG.

전반적으로, Ti:B-Fe2O3의 광전류 밀도는 Ti-Fe2O3의 광전류 밀도보다 더 높았고, Fe2O3보다 훨씬 더 높았다. 630 nm의 높은 나노 막대(Fe2O3-2)를 사용한 Fe2O3-2의 광전류 밀도는 금속 이온이 없는 넓은 SCR(흑색)로 인해 300 nm의 Fe2O3-1보다 더 높았다. 헤마타이트와 전해질 사이의 밴드 벤딩(band bending)으로 인해 더 넓은 SCR에서 전기장에 의해 더 많은 EHP가 추출되었기 때문에 Fe2O3-2의 EHP는 헤마타이트의 짧은 정공 확산 길이 문제를 극복하여 광전류 밀도가 Fe2O3-1보다 더 높았다. 그러나 길이가 870 nm가 되면 다른 보고와 같이 EHP를 추출하기가 어렵다. Ti-Fe2O3의 광전류 밀도는 성장주기가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나, Ti 도핑에 의해 달성된 향상된 도전성으로 인해 동일한 길이의 Fe2O3보다 더 컸다. 실제로, Fe2O3-2 (0.85 mA/cm2)의 가장 높은 광전류 밀도는 Ti-Fe2O3-2 (0.96 mA/cm2)보다 여전히 낮았다. Ti-Fe2O3-2의 광전류 밀도는 헤마타이트 내부의 정공의 연장된 이동 경로에 의한 재조합 증가로 인해 Ti-Fe2O3-1의 광전류 밀도보다 낮았다. 헤마타이트의 길이가 ~ 500 nm 이상일 때 높은 전기 저항률을 갖는 헤마타이트에서 재조합이 우세해지는 것으로 보고되어 있다. 따라서 재조합과 EHP 생성이 가장 균형을 이루는 대부분의 최근 연구(어떤 경우에도 700 nm 이하)에서는 헤마타이트 최적 길이가 약 500 nm로 설정되었다. 그러나, n-n+ 호모-접합을 갖는 Ti:B-Fe2O3에서 광전류 밀도는 금속 도펀트에 의한 재조합 감소로 인한 높은 전도성 및 n-n+ 접합에 의해 바람직한 전계로 인해 3 번째 성장주기 (890 nm 길이의 시료, 파란색)까지 증가하였다.Overall, the photocurrent density of Ti: B-Fe 2 O 3 was higher than that of Ti-Fe 2 O 3 and much higher than that of Fe 2 O 3 . The photocurrent density of Fe 2 O 3 -2 using 630 nm high nanorods (Fe 2 O 3 -2) was higher than that of 300 nm Fe 2 O 3 -1 due to the wide SCR (black) without metal ions. Because of the band bending between the hematite and the electrolyte, more EHP was extracted by the electric field in the wider SCR, the EHP of Fe 2 O 3 -2 overcomes the short hole-diffusion length problem of hematite and the photocurrent density Was higher than that of Fe 2 O 3 -1. However, when the length is 870 nm, it is difficult to extract EHP as in other reports. The photocurrent density of Ti-Fe 2 O 3 decreased as the growth period increased. However, it was larger than Fe 2 O 3 of the same length due to the improved conductivity achieved by Ti doping. Indeed, the highest photocurrent density of Fe 2 O 3 -2 (0.85 mA / cm 2 ) was still lower than that of Ti-Fe 2 O 3 -2 (0.96 mA / cm 2 ). The photocurrent density of the Ti-Fe 2 O 3 -2, due to increased recombination due to the extension of the movement path of the inner tighter Hema hole photocurrent density was lower than the Ti-Fe 2 O 3 -1. Recombination has been reported to be dominant in hematite with high electrical resistivity when the length of the hematite is greater than ~ 500 nm. Thus, in most recent studies (in any case less than 700 nm) in which recombination and EHP production are most balanced, the optimal hematite length was set at about 500 nm. However, nn + homo - Ti having a junction: in B-Fe 2 O 3 photo current density is due to the desired electric field by the high conductivity and the nn + junction due to recombinant reduced by the metal dopant, the third growth period (of 890 nm in length Sample, blue).

Ti:B-Fe2O3-3 (1.23 VRHE에서 1.92mA/cm2)의 높은 광전류 밀도는 UV-Vis 분광분석(도 7)에서 보여준 바와 같이 두꺼운 헤마타이트로부터의 광 흡수가 증가하기 때문이다. 다르게 준비된 시료의 전반적인 성능을 비교하기 위해 가장 좋은 것 (이하, Fe2O3-2, Ti-Fe2O3-1 및 Ti:B-Fe2O3-3은 각각 단순히 Fe2O3, Ti-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3이라고 함)을 대표 표본으로 선정하였다. Ag/AgCl 기준 전극을 갖는 A.M 1.5 태양 시뮬레이터 하에서 1M NaOH 용액에서 Fe2O3, Ti-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 I-V 곡선을 도 3(b)에 나타내었다. Ti-Fe2O3는 1.50 VRHE에서 1.68 mA/cm2의 광전류 밀도 및 0.91 VRHE의 개시 전위를 가지며, Ti:B-Fe2O3의 광전류 밀도는 1.50 VRHE에서 2.83 mA/cm2에 도달하였으며, 개시 전위는 0.92 VRHE였다. 이는 표면에서의 Ti4 + 및 Sn4 + 이온의 감소 및 n-n+ 접합에 의한 내부 전기장의 생성으로 인한 감소된 재조합의 시너지 효과가 헤마타이트의 길이 제한(~ 500 nm)을 극복함을 명확하게 보여주었고, 물 분해 반응에서 PEC 성능을 향상시켰다. The high photocurrent density of Ti: B-Fe 2 O 3 -3 (1.92 mA / cm 2 at 1.23 V RHE ) increases the light absorption from the thick hematite as shown in the UV-Vis spectroscopy (FIG. 7) to be. In order to compare the overall performance of different prepared samples (hereinafter Fe 2 O 3 -2, Ti-Fe 2 O 3 -1 and Ti: B-Fe 2 O 3 -3 are simply Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 ) were selected as representative samples. The IV curves of Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 in a 1M NaOH solution under an AM 1.5 solar simulator with Ag / AgCl reference electrode are shown in FIG. Ti-Fe 2 O 3 is 1.50 in the V RHE has a photoelectric current density and 0.91 V RHE start potential of 1.68 mA / cm 2, Ti: B-Fe photoelectric current density of 2 O 3 is 1.50 V RHE at 2.83 mA / cm 2 And the initiation potential was 0.92 V RHE . This clearly shows that the synergy of reduced recombination due to the reduction of the Ti 4 + and Sn 4 + ions at the surface and the generation of the internal electric field by the nn + junction overcomes the length limitation of the hematite (~500 nm) And improved the PEC performance in the water decomposition reaction.

도 3c의 IPCE 데이터는 I-V 곡선과 일치하는 1M NaOH 용액을 사용하여 1.23 VRHE에서 300 nm에서 550 nm 범위의 Fe2O3 및 Ti-Fe2O3에 비해 Ti:B-Fe2O3의 광전류 밀도가 더 높았다. Fe2 - xBxO3 층은 도 9에서와 같이 Ti:B-Fe2O3의 밴드 갭을 약간 증가시켰지만, 모든 시료의 IPCE 값 그래프는 매우 유사한 경향을 보여 Fe2-xBxO3 박막의 존재가 550 nm에서 600 nm의 범위에서의 광반응에 매우 가볍게 영향을 미침을 시사한다. Ti:B-Fe2O3는 도 11에서와 같이 18 시간 동안 1M NaOH 용액에서 매우 안정한 성능을 나타내었다.The IPCE data of FIG. 3c shows that the ratio of Ti: B-Fe 2 O 3 compared to Fe 2 O 3 and Ti-Fe 2 O 3 ranges from 300 nm to 550 nm at 1.23 V RHE using 1 M NaOH solution, The photocurrent density was higher. The Fe 2 - x B x O 3 layer slightly increased the band gap of Ti: B - Fe 2 O 3 as shown in FIG. 9, but the graph of IPCE values of all the samples showed a very similar tendency, and Fe 2 - x B x O 3 film very lightly on the photoreaction in the range of 550 nm to 600 nm. Ti: B-Fe 2 O 3 exhibited very stable performance in 1M NaOH solution for 18 hours as shown in FIG.

벌크 헤마타이트 영역과 전해질과 헤마타이트의 표면의 계면에서 전하 이동 메커니즘을 밝히기 위해, 도 3(d)와 같이 전기 화학 임피던스 분광법(EIS)을 측정하였다. 등가 회로 모델을 사용하여 도 3(d)의 삽입 그림에 표시된 것처럼 Fe2O3, Ti-Fe2O3 및 Ti:B-Fe2O3의 Nyquist 플롯을 분석하였다. 등가 회로는 벌크 헤마타이트 내부의 저항, R1, 벌크 헤마아티트의 계면에서의 공간 전하 용량, C1, 전해질과 헤마타이트의 표면 간의 전하 이동 저항, R2, 전해질과 헤마타이트 표면 간의 계면에서의 공간 전하 용량, C2, 그리고 헤마타이트/FTO의 면저항, Rs으로 이루어진다. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was measured as shown in Fig. 3 (d) to reveal the charge transfer mechanism at the interface between the bulk hematite region and the electrolyte and the surface of the hematite. The equivalent circuit model was used to analyze Nyquist plots of Fe 2 O 3 , Ti-Fe 2 O 3 and Ti: B-Fe 2 O 3 as shown in the inset of FIG. 3 (d). Equivalent circuit is the resistance inside the bulk hematite, R 1 , the space charge capacity at the interface of the bulk hematite, C 1 , the charge transfer resistance between the electrolyte and the surface of the hematite, R 2 , the interface between the electrolyte and the hematite surface C 2 , and the sheet resistance of the hematite / FTO, R s .

도 12에 나타난 바와 같이, 벌크 헤마타이트 저항(R1) 및 Ti-Fe2O3의 헤마타이트의 전해질/표면 간의 전하 이동 저항(R2)은 길이가 630 nm보다 클 때 증가하며, 이는 벌크 헤마타이트 영역에서의 불충분한 전하 전달 특성 및 광 여기 정공을 추출하기 위한 금속 이온 도핑된 헤마타이트의 좁은 SCR을 갖는 짧은 밴드 밴딩 영역으로 인한 높은 재조합을 갖는 헤마타이트의 전해질/표면 사이의 전하 전달 저항을 의미한다.As shown in Figure 12, the charge transfer resistance (R 2 ) between the bulk / hematite electrolyte / surface of the bulk hematite resistor (R 1 ) and Ti-Fe 2 O 3 increases when the length is greater than 630 nm, Charge transfer between the electrolyte / surface of hematite with high recombination due to short band banding region with narrow SCR of metal ion doped hematite for extracting photoexcited holes and insufficient charge transfer characteristics in the hematite region .

도 3 (d)에 도시된 바와 같이, Ti:B-Fe2O3의 R1 및 R2는 Fe2O3 및 Ti-Fe2O3보다 낮았으며 n-n+ 접합으로부터의 정전기 전위로 인해 벌크 헤마타이트 내부 뿐만 아니라 전해질/헤마타이트의 표면 사이의 계면에서 우수한 전하 이동을 나타내었다. 이는 내부 n형 도핑과 외부 p형(붕소) 도핑 방법의 조합이 헤마타이트의 두께, 즉 길이를 증가시키고 헤마타이트의 길이 제한을 성공적으로 극복함으로써 UV-Vis 흡광도를 증가시키는 것을 도와줌을 시사한다.As shown in Figure 3 (d), Ti: R 1 and R 2 of the B-Fe 2 O 3 is was lower than Fe 2 O 3 and Ti-Fe 2 O 3 bulk due to the electrostatic potential from the nn + junction Showed excellent charge transfer at the interface between the hematite as well as the electrolyte / hematite surface. This suggests that a combination of internal n-type doping and an external p-type (boron) doping method may help increase the UV-Vis absorbance by increasing the thickness of the hematite, ie, length, and successfully overcoming the length limitation of the hematite .

Ti:B-Fe2O3-3의 PEC 성능을 더욱 향상시키기 위해, 도 4(a)와 같이 값싸고 좋은 산소발생반응(OER) 조촉매인 FeOOH 박층 1-2 nm를 열수 성장에 의해 Ti:B-Fe2O3-3의 표면에 증착시켰다. FeOOH-Ti:B-Fe2O3-3은 1.23 VRHE에서 0.835 VRHE의 시작 전위와 2.35 mA/cm2의 광전류 밀도를 나타내어 도 4(b)에 도시된 바와 같이 Ti:B-Fe2O3-3 (개시 전위 : 0.920 VRHE, 광전류 밀도는 1.23 VRHE : 1.92 mA/cm2)의 그것과 비교하여 1.2배 향상된 PEC 성능을 나타내었다. 이는 재조합 사이트의 표면 상태의 부동태화 효과와 헤마타이트 표면의 개선된 물 산화 동역학에 의한 것이었다. In order to further improve the PEC performance of Ti: B-Fe 2 O 3 -3, as shown in FIG. 4 (a), a FeOOH thin layer 1-2 nm which is a cheaper oxygen generating reaction (OER) : B-Fe 2 O 3 -3. FeOOH-Ti: B-Fe 2 O 3 -3 was 1.23 V in the RHE as shown in 0.835 V RHE starting potential and the fourth degree expressed photocurrent density of 2.35 mA / cm 2 (b) of Ti: B-Fe 2 PEC performance was 1.2 times higher than that of O 3 -3 (initiation potential: 0.920 V RHE , photocurrent density 1.23 V RHE : 1.92 mA / cm 2 ). This was due to the passivation effect of the surface state of the recombination site and the improved water oxidation kinetics of the hematite surface.

결론적으로, 본 발명에서는 고성능 PEC의 포토애노드를 생산하기 위해 in-situ 및 ex-situ 방법에 의해 제조된 n-n+ 접합부를 갖는 Ti 및 B로 동시 도핑된 헤마타이트를 개발하였다. 헤마타이트에서 Ti와 B의 동시 도핑은 헤마타이트 표면에서 EHP 재조합과 관련된 Ti4+와 Sn4+ 이온의 수를 줄였을 뿐 아니라 용이한 정공 추출을 위한 내부 전계를 생성시켰다. 890 nm 길이의 Ti:B-Fe2O3는 재조합 감소가 매우 작았으며 1.23 VRHE에서 1.92 mA/cm2, 1.50 VRHE에서 2.83 mA/cm2의 우수한 광전류 밀도를 나타내었다. 이에, 본 발명에서는 EHP의 재조합을 줄이고 잠재적으로 PEC 물 분해 성능을 향상시키는 짧은 정공 확산 길이를 갖는 헤마타이트의 길이 제한 문제를 해결하는 방법을 제시한 최초의 발명이다.In conclusion, the present invention has developed co-doped hematites with Ti and B having nn + junctions produced by in-situ and ex-situ methods to produce high-performance PEC photoanodes. Simultaneous doping of Ti and B in hematite not only reduced the number of Ti 4 + and Sn 4 + ions associated with EHP recombination at the hematite surface, but also generated an internal electric field for easy hole extraction. 890 nm length of the Ti: B-Fe 2 O 3 exhibited a high photocurrent density of 1.92 mA / cm 2, 1.50 V RHE at 2.83 mA / cm 2 at 1.23 V RHE was the recombinant reduced so small. Accordingly, the present invention is the first invention to propose a method for solving the problem of the length limitation of hematite having a short hole diffusion length which reduces recombination of EHP and potentially improves PEC water decomposition performance.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.

Claims (13)

투명전극 기판; 및
상기 투명전극 기판 상에 로드(rod) 형상으로 이루어진 티타늄 및 붕소가 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드.
A transparent electrode substrate; And
And a rod-shaped titanium and boron-doped hematite on the transparent electrode substrate.
청구항 1에 있어서,
상기 투명전극 기판은,
FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, 및 IGZO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 포토애노드.
The method according to claim 1,
Wherein the transparent electrode substrate comprises:
FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, and IGZO.
청구항 1에 있어서,
상기 티타늄 및 붕소가 도핑된 헤마타이트는,
300 nm 내지 890 nm의 평균 길이와, 50 nm 내지 100 nm의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 포토애노드.
The method according to claim 1,
The titanium and boron doped hematite may be,
An average length of 300 nm to 890 nm and an average diameter of 50 nm to 100 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 포토애노드는,
FeOOH 박층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토애노드.
The method according to claim 1,
The photo-
RTI ID = 0.0 &gt; FeOOH &lt; / RTI &gt; thin layer.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 포토애노드를 포함하는 물 분해용 광전기화학 전지(PEC cell).A photoelectrochemical cell (PEC cell) for decomposing water comprising a photoanode according to any one of claims 1 to 4. 티타늄 공급원 및 철 공급원을 혼합하여 용액을 준비하는 단계;
상기 용액에 투명전극 기판을 침지시켜 열수 성장법을 통해 투명전극 기판 상에 티타늄이 도핑된 FeOOH(Ti-FeOOH)를 성장시키는 단계;
상기 Ti-FeOOH가 성장된 투명전극 기판을 붕산 용액에 침지시킨 후 열처리하여 티타늄과 붕소가 도핑된 헤마타이트(Ti:B-Fe2O3)를 합성하는 단계; 및
상기 Ti:B-Fe2O3를 세정하고, 건조하는 단계를 포함하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
Preparing a solution by mixing a titanium source and an iron source;
Immersing the transparent electrode substrate in the solution to grow FeOOH (Ti-FeOOH) doped with titanium on the transparent electrode substrate through hydrothermal growth;
Synthesizing a: (B-Fe 2 O 3 Ti); the Ti-FeOOH the growth was the transparent electrode substrate is immersed in acid solution after heat treatment to a titanium and boron-doped hematite And
Wherein the Ti: B-Fe 2 O 3 cleaning, and the method comprising a heterologous picture doped hematite by including the step of drying, the titanium and boron anode manufacture.
청구항 6에 있어서,
상기 포토애노드 제조방법은,
상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method of claim 6,
The photoanode fabrication method includes:
Wherein the Ti: B-Fe 2 O 3 on the surface of the picture containing the heterologous doped hematite depositing a thin layer as FeOOH, characterized in that it further comprises, titanium and boron anode method.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 티타늄 공급원은,
염화티타늄(TiCl3), 이산화티타늄(TiO2), 수소화티타늄(TiH2), 사염화티타늄(TiCl4), 질화티타늄(TiN), 및 티타늄이소프로폭사이드(C12H28O4Ti)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method according to claim 6 or 7,
The titanium source may comprise,
(C 12 H 28 O 4 Ti) with titanium chloride (TiCl 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), titanium hydride (TiH 2 ), titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium nitride (TiN), and titanium isopropoxide Wherein the dopant is one selected from the group consisting of titanium and boron doped hematite.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 철 공급원은,
염화철·6수화물(FeCl3·6H2O), 플루오르화철·수화물(FeF2·xH2O), 황화철·수화물(FeSO4·xH2O), 철아세테이트(Fe(CO2CH3)2) 및 질화철·수화물(Fe(NO3)3·xH2O)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method according to claim 6 or 7,
The iron source,
(FeCl 3 .6H 2 O), iron fluoride · hydrate (FeF 2 · xH 2 O), iron sulfate · hydrate (FeSO 4 · xH 2 O), iron acetate (Fe (CO 2 CH 3 ) 2 ) And iron nitride hydrate (Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O). 2. The method of claim 1, wherein the molten iron is at least one selected from the group consisting of titanium oxide and boron nitride.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 투명전극 기판은,
FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, 및 IGZO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method according to claim 6 or 7,
Wherein the transparent electrode substrate comprises:
Wherein the dopant is any one selected from the group consisting of FTO, ZnO, ITO, AZO, GZO, IZO, and IGZO.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 투명전극 기판 상에 티타늄이 도핑된 FeOOH(Ti-FeOOH)를 성장시키는 단계는,
상기 용액에 투명전극 기판을 침지시킨 후 30℃에서 100℃까지 1 내지 3시간 동안 열처리한 후, 100℃에서 2 내지 4시간 동안 유지하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method according to claim 6 or 7,
The step of growing titanium-doped FeOOH (Ti-FeOOH) on the transparent electrode substrate includes:
Characterized in that the transparent electrode substrate is immersed in the solution and then heat-treated at 30 ° C to 100 ° C for 1 to 3 hours and maintained at 100 ° C for 2 to 4 hours. &Lt; / RTI &gt;
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 티타늄과 붕소가 도핑된 헤마타이트를 합성하는 단계는,
상기 Ti-FeOOH가 성장된 투명전극 기판을 붕산 용액에 10분 내지 1시간 동안 침지시킨 후 700 내지 900℃에서 15 내지 30분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method according to claim 6 or 7,
The step of synthesizing the titanium and boron doped hematite comprises:
Wherein the Ti-FeOOH-grown transparent electrode substrate is immersed in a boric acid solution for 10 minutes to 1 hour and then heat-treated at 700 to 900 ° C for 15 to 30 minutes. &Lt; / RTI &gt;
청구항 7에 있어서,
상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시키는 단계는,
열수 성장을 통해 상기 Ti:B-Fe2O3 표면 상에 FeOOH 박층을 증착시키는 것을 특징으로 하는, 티타늄 및 붕소로 이종 도핑된 헤마타이트를 포함하는 포토애노드 제조방법.
The method of claim 7,
The Ti: depositing a thin layer on the FeOOH B-Fe 2 O 3 surface,
B-Fe 2 O 3 on a surface, comprising a step of depositing a thin layer of FeOOH, picture containing a heterologous doped hematite in titanium and boron anode method: the Ti through hydrothermal growth.
KR1020180001245A 2018-01-04 2018-01-04 Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof KR102017104B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180001245A KR102017104B1 (en) 2018-01-04 2018-01-04 Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180001245A KR102017104B1 (en) 2018-01-04 2018-01-04 Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190083511A true KR20190083511A (en) 2019-07-12
KR102017104B1 KR102017104B1 (en) 2019-09-02

Family

ID=67254151

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180001245A KR102017104B1 (en) 2018-01-04 2018-01-04 Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102017104B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111364050A (en) * 2020-03-11 2020-07-03 华侨大学 Preparation method of titanium-doped iron oxide photo-anode with high photoelectric water decomposition performance
KR20210117838A (en) * 2020-03-20 2021-09-29 울산과학기술원 PHOTOANODE COMPRISING Ti:Si-DOPED HEMATITE, PREPARATION METHOD THEREOF, AND WATER SPLITTING SYSTEM COMPRISING SAME

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140023495A (en) * 2012-08-16 2014-02-27 한국전기연구원 Manufacturing methods of hematite photo-electrochemcal electrodes and photo-electrode thereof
KR101715077B1 (en) * 2016-08-18 2017-03-10 울산과학기술원 Photoanode for selectively adsorbable of FeOOH water splitting catalysts for efficient improvement of hematite-based water splitting system and preparing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140023495A (en) * 2012-08-16 2014-02-27 한국전기연구원 Manufacturing methods of hematite photo-electrochemcal electrodes and photo-electrode thereof
KR101520260B1 (en) 2012-08-16 2015-05-18 한국전기연구원 Manufacturing Methods of Hematite Photo-electrochemcal Electrodes And Photo-electrode thereof
KR101715077B1 (en) * 2016-08-18 2017-03-10 울산과학기술원 Photoanode for selectively adsorbable of FeOOH water splitting catalysts for efficient improvement of hematite-based water splitting system and preparing method thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anan Liu등. Journal of photochemistry and photobiology A:chemistry. 2017.08.24. pp.290~297* *
Dapeng Cao등. Crystengcomm. 2013., 15, pp.2386~2391* *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111364050A (en) * 2020-03-11 2020-07-03 华侨大学 Preparation method of titanium-doped iron oxide photo-anode with high photoelectric water decomposition performance
KR20210117838A (en) * 2020-03-20 2021-09-29 울산과학기술원 PHOTOANODE COMPRISING Ti:Si-DOPED HEMATITE, PREPARATION METHOD THEREOF, AND WATER SPLITTING SYSTEM COMPRISING SAME

Also Published As

Publication number Publication date
KR102017104B1 (en) 2019-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chu et al. Roadmap on solar water splitting: current status and future prospects
Concina et al. Semiconducting metal oxide nanostructures for water splitting and photovoltaics
Xiao et al. Recent advances of metal‐oxide photoanodes: engineering of charge separation and transportation toward efficient solar water splitting
Huang et al. Recent progress in photocathodes for hydrogen evolution
Wang et al. The photoelectrochemistry of transition metal-ion-doped TiO2 nanocrystalline electrodes and higher solar cell conversion efficiency based on Zn2+-doped TiO2 electrode
Phuan et al. In situ Ni-doping during cathodic electrodeposition of hematite for excellent photoelectrochemical performance of nanostructured nickel oxide-hematite pn junction photoanode
Wei et al. Combined CdS/In2S3 heterostructures with cocatalyst for boosting carriers separation and photoelectrochemical water splitting
US10431759B2 (en) Electron transport layer for flexible perovskite solar cell and flexible perovskite solar cell including the same
Liccardo et al. Nanoscale ZnO/α‐Fe2O3 heterostructures: toward efficient and low‐cost photoanodes for water splitting
Choi et al. Solar-driven hydrogen evolution using a CuInS 2/CdS/ZnO heterostructure nanowire array as an efficient photoanode
Wu et al. Enhancing photoelectrochemical activity with three-dimensional p-CuO/n-ZnO junction photocathodes
CN112410819A (en) Composite bismuth-based photoanode for photoelectrocatalytic decomposition of water and preparation method thereof
Sun et al. Preparation of (Ti, Zr) co-doped hematite photoanode for enhanced photoelectrochemical water splitting
CN110965073B (en) WO containing defects3Preparation method of photoelectrode
Wang et al. Conductive polymer nanolayer modified one-dimensional ZnO/CdSe photoanode with enhanced photoelectrochemical properties by in-situ ions exchange method
Vuong et al. H2-and NH3-treated ZnO nanorods sensitized with CdS for photoanode enhanced in photoelectrochemical performance
Taziwa et al. Carbon doped nano-crystalline TiO 2 photo-active thin film for solid state photochemical solar cells
CN107268022B (en) α-Fe2O3The preparation method and application of nano stick array photo-anode material
KR102017104B1 (en) Photoanode comprising Ti:B co-doped hematite and preparing method thereof
Guo et al. Coherent-twinning-enhanced solar water splitting in thin-film Cu2ZnSnS4 photocathodes
Sahnesarayi et al. Enhanced photoelectrochemical water splitting performance of vertically aligned Bi2O3 nanosheet arrays derived from chemical bath deposition method by controlling chemical bath temperature and complexing agent concentration
Li et al. Cu-doped-CdS/In-doped-CdS cosensitized quantum dot solar cells
Santos et al. Prospects of copper–bismuth chalcogenide absorbers for photovoltaics and photoelectrocatalysis
Park et al. Recent progress and perspectives on heteroatom doping of hematite photoanodes for photoelectrochemical water splitting
CN107268020A (en) A kind of Ta3N5The preparation method and Ta of film3N5The application of film

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant