KR20200141030A - 자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상 - Google Patents

자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상 Download PDF

Info

Publication number
KR20200141030A
KR20200141030A KR1020207026259A KR20207026259A KR20200141030A KR 20200141030 A KR20200141030 A KR 20200141030A KR 1020207026259 A KR1020207026259 A KR 1020207026259A KR 20207026259 A KR20207026259 A KR 20207026259A KR 20200141030 A KR20200141030 A KR 20200141030A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnetic field
weyl
semimetals
efficiency
semimetal
Prior art date
Application number
KR1020207026259A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102662594B1 (ko
Inventor
친타마니 나기사 라마찬드라 라오
클라우디아 페슬러
캐서린 란지타 라자마티
니테쉬 쿠마
유탐 굽타
Original Assignee
막스-플랑크-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 비쎈샤프텐 에.파우.
자와하랄 네루 센터 포 어드밴스드 사이언티픽 리서치
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 막스-플랑크-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 비쎈샤프텐 에.파우., 자와하랄 네루 센터 포 어드밴스드 사이언티픽 리서치 filed Critical 막스-플랑크-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 비쎈샤프텐 에.파우.
Publication of KR20200141030A publication Critical patent/KR20200141030A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102662594B1 publication Critical patent/KR102662594B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C01B3/042—Decomposition of water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/20—Vanadium, niobium or tantalum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/02—Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/04—Sulfides
    • B01J27/047—Sulfides with chromium, molybdenum, tungsten or polonium
    • B01J27/051—Molybdenum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/14—Phosphorus; Compounds thereof
    • B01J27/186—Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J27/195—Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium with vanadium, niobium or tantalum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/33—Electric or magnetic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39—Photocatalytic properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 바일(Weyl) 반금속에 외부 자기장을 가하여 바일 반금속의 촉매 효율을 높이는 것에 관한 것이다. 본 개시 내용의 바람직한 실시예에서 바일 반금속은 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs로 이루어진 군으로부터 선택된다.

Description

자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상
본 개시는 광촉매 물 분해의 기술 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 수소 생산을 위한 광촉매 물 분해 반응에서 촉매로서 유용한 바일(Weyl) 반금속의 촉매 활성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
배경 설명은 본 발명을 이해하는데 유용할 수 있는 정보를 포함한다. 여기에 제공된 정보가 선행 기술이거나 현재 청구된 발명과 관련이 있거나 구체적으로 또는 묵시적으로 참조된 출판물이 선행 기술이라는 것은 인정하지 않는다.
전 세계적인 에너지 문제는 보편적이며 대체 지속 가능한 에너지원, 특히 태양으로의 이전은 불가피하다. 태양 에너지는 낮에만 사용할 수 있으므로 적절한 방식으로 에너지를 저장하는 것이 매우 유리하다. 수소 형태의 저장은 이를 실현하는 매우 매력적인 방법이 될 것이다. 수소 생산을 위한 이상적인 공정은 전환을 위해 태양 에너지와 함께 물을 수소 공급원으로 사용하는 것이다. 따라서 광촉매 물 분해 (빛에 의해 물이 수소와 산소로 전환되는 반응)는 가장 유망한 수소 생산 공정 중 하나로 주목 받고 있다.
광촉매를 사용한 효율적인 물 분해는 연구자들에게 큰 도전이었다. 또한 재생 가능한 형태의 에너지를 사용하여 물을 분해하는 것은 환경 및 에너지 문제에 대한 궁극적인 해결책일 수 있다. 그럼에도 불구하고 열역학적 오르막 반응의 어려움으로 인해 물 분해를 위한 고활성 광촉매의 개발이 오랫동안 방해를 받았다. 적합한 구조를 설계하고, 표면적을 늘리고, 공촉매를 사용하여 재료의 효율을 증가시킴으로써 재료를 개선하는 데 초점을 맞추는 것이 가장 일반적인 기술 중 하나다. 촉매 설계를 위한 현재 전략은 HER (Hydrogen Evolution Reaction)에서 이황화 몰리브덴 (MoS2)의 가장자리 부위와 같은 국소 촉매 부위의 수와 활성을 증가시키는 데 중점을 둔다.
EP2 407 419A1은 전기 전도성 분리기 층에 의해 산소 발생 광촉매와 수소 발생 광촉매를 분리하여 용액을 설명한다.
US2012/0145532 A1은 물의 비보조 광촉매 분해를 위한 귀금속 코어/반도체 쉘 하이브리드 나노 입자(noble metal core/semiconductor shell hybrid nanoparticles)의 넓은 스펙트럼 여기(excitation)의 사용을 개시한다. 금속 코어/반도체 쉘 복합 나노 입자는 광 여기에 투명한 광대역 갭(wide-bandgap) 반도체 광촉매 (예: TiO2, ZnS, Nb2O5)로 코팅된 귀금속 (예 : Au, Ag, Pt, Pd 또는 귀금속 합금) 코어를 포함한다. 가시 광선 및 근적외선 (NIR) 스펙트럼 범위에서 금속 코어의 플라즈몬 흡수대와 일치한다.
US2015/0010463 A1은 나노 결정질 코발트 (II) 산화물 나노 입자를 포함하는 가시 광선 조사를 사용하여 물에서 수소를 생성하는 광촉매에 관한 것이다.
H. Li, C. Tsai, A. L. Koh, L. Cai, A. W. Contryman, A. H. Fragapane, J. Zhao, H. S. Han, H. C. Manoharan, F. Abild-Pedersen, J. K. Norskov, X. Zheng (Nat. Mater. 2016, 15, 48); D. Voiry, M. Salehi, R. Silva, T. Fujita, M. Chen, T. Asefa, V. B. Shenoy, G. Eda, M. Chhowalla, (Nano Lett. 2013, 13, 6222) and U. Maitra, U. Gupta, M. De, R. Datta, A. Govindaraj, C. N. R. Rao (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 13057)는 수소 생산을 위한 광촉매 중에서 MoS2 나노 입자는 광화학 및 전기 화학 HER 모두를 촉매하는 높은 효율을 보여준다는 것을 보고한다.
C. Tsai, K. Chan, J. K. Nørskov, F. Abild-Pedersen (Surf. Sci. 2015, 640, 133)은 금속성 전이 금속 디칼코게나이드(dichalcogenides) (TMDs)가 HER에 대한 우수한 후보임을 발견했다.
Adv, Mater. 2017, 1606202, "Weyl semimetals as Hydrogen Evolution Cataysts"는 전이 금속 모노프니타이드(monopnictides) NbP, TaP, NbAs 및 TaAs를 HER에 대한 촉매로 설명한다. 이러한 모노프니타이드(monopnictides)는 위상(topological) 바일(Weyl) 반금속이다.
본 명세서에서의 모든 간행물은 각각의 개별 간행물 또는 특허 출원이 참조로 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 참조로 포함된다. 통합된 참조에서 용어의 정의 또는 사용이 여기에 제공된 해당 용어의 정의와 일치하지 않거나 반대되는 경우, 여기에 제공된 해당 용어의 정의가 적용되고 참조에서 해당 용어의 정의가 적용되지 않는다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 대안적인 요소 또는 실시예의 그룹은 제한으로 해석되어서는 안된다. 각 그룹 구성은 개별적으로 또는 그룹의 다른 구성 또는 본원에서 발견되는 다른 요소와 임의의 조합으로 언급되고 청구될 수 있다. 그룹의 1개 이상의 구성은 편의성 및/또는 특허 가능성을 이유로 그룹에 포함되거나 그룹에서 삭제될 수 있다.
본 발명의 목적은 수소 발생 반응 (HER)의 효율을 높이는 것이다.
HER에 대한 촉매의 촉매 효율을 증가시키는 것이 본 개시 내용의 추가 목적이다.
본 발명의 또 다른 목적은 HER에 대한 촉매로서 전이 금속 모노프니타이드(monopnictides) NbP, TaP, NbAs 및 TaAs의 촉매 효율을 증가시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광촉매 물 분해 효율을 향상시키기 위해 바일(Weyl) 반금속을 처리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 바일(Weyl) 반금속(semimetal)에 외부 자기장을 가함으로써 바일(Weyl) 반금속의 촉매 효율을 높일 수 있음을 발견했다. 따라서, 본 개시 내용의 한 측면은 바일(Weyl) 반금속을 외부 자기장 (>0T)에 노출시킴으로써 바일(Weyl) 반금속의 촉매 활성을 증가시키는 방법을 제공한다. 이 측면의 바람직한 일 실시예에서, 바일(Weyl) 반금속의 촉매 활성은 바일(Weyl) 반금속의 적어도 일부를 >0.1T의 자기장 강도를 갖는 외부 자기장에 노출시킴으로써 향상될 수 있다. 보다 바람직한 일 실시예에서, 바일(Weyl) 반금속의 촉매 활성은 바일(Weyl) 반금속의 적어도 일부를 >0.3T의 외부 자기장에 노출시킴으로써 향상될 수 있다.
본원에 개시된 바람직한 실시예에서 바일(Weyl) 반금속은 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본원에 개시된 또 다른 측면은 물로부터 수소의 광촉매 생산을 위한 본 개시 내용의 실시예에 따른 방법에 의해 수득된 향상된 촉매 활성을 갖는 바일(Weyl) 반금속의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 주제의 다양한 목적, 특징, 측면 및 장점은 유사한 번호가 유사한 구성 요소를 나타내는 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명은 바일(Weyl) 반금속에 외부 자기장을 가하여 바일 반금속의 촉매 효율을 높일 수 있다.
첨부된 도면은 본원에 개시된 내용의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성한다. 도면은 본 개시의 예시적인 실시예를 도시하고, 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 MoS2 및 NbP의 HER 촉매 활성을 외부 자기장이 있는 경우 ("m"로 표시) 및 없는 경우의 비교를 보여준다.
도 2에는 바일(Weyl) 반금속 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs에서 자기장을 적용한 상태 및 (그래프 a) 자기장이 없는 상태 (그래프 b)에서 HER 활동을 비교한 두 개의 그래프 'a' 및 'b'가 포함되어 있다.
도 3은 염료 감응 수소 발생(dye-sensitized hydrogen evolution)을 촉매하기 위한 바일(Weyl) 반금속의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 물 분해를 통한 수소 생산을 위한 예시적인 실험 구성을 보여준다.
도 5는 자기장이 있는 상태 및 자기장이 없는 상태의 HER에 대한 전기 촉매로서 바일(Weyl) 반금속 TaP의 촉매 활성을 보여준다.
다음은 본원에 개시된 실시예들에 대한 상세한 설명이다. 실시예는 개시 내용을 명확하게 전달하도록 상세하게 설명되어 있다. 그러나, 제공되는 세부 사항의 양은 실시예의 예상되는 변형을 제한하려는 것이 아니다. 반대로, 그 의도는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본원에 개시된 사상 및 범위 내에 있는 모든 수정, 등가물 및 대안을 포함하는 것이다.
문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 다음 명세서 전체에서 "포함하다" 및 그 변형인 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 단어는 "포함하지만 제한되지 않는"과 같은 개방적이고 포괄적인 의미로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이 특정 특징, 구조 또는 특성은 1개 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본원의 설명 및 후속 청구 범위 전체에서 사용되는 바와 같이, "a", "an" 및 "the"의 의미는 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 또한, 본 명세서의 설명에서 사용된 바와 같이, "in"의 의미는 문맥 상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 "에서(in)" 및 "상(on)"을 포함한다.
본원에서 값의 범위를 언급하는 것은 단지 범위 내에 속하는 각각의 개별값을 개별적으로 언급하는 속기 방법으로 사용되는 것으로 의도된다. 본원에서 달리 지시되지 않는 한, 각각의 개별값은 마치 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다.
본 명세서에 설명된 모든 방법은 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원의 특정 실시예와 관련하여 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시적인 언어 (예를 들어 "~와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구된 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실행에 필수적인 비 청구 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
여기에 제공된 본 발명의 표제 및 요약은 단지 편의를 위한 것이며 실시예의 범위 또는 의미를 해석하지 않는다.
여기에서는 다양한 용어가 사용된다. 청구에 사용된 용어가 아래에 정의되어 있지 않은 경우, 해당 분야의 사람들이 출원시 인쇄된 출판물 및 발행된 특허에 반영된 용어를 가장 광범위하게 정의해야 한다.
바일(Weyl) 반금속은 위상 절연체이다. 바일(Weyl) 반금속의 전제 조건은 에너지 밴드(band) 반전이다. 중금속을 포함하는 많은 화합물은 이러한 밴드 반전을 나타내며, 더 일반적으로 비활성 전자쌍 효과(inert pair effect)라고 한다. 상대론적 밴드 구조에서는 밴드 교차가 금지되어 위상 절연체에서 새로운 밴드 갭이 열리고 Dirac 콘 전자 구조가 있는 표면 상태가 나타난다. 바일(Weyl) 반금속은 위상 절연체와 미소 절연체(trivial insulators) 사이의 경계에 나타난다. 바일(Weyl) 반금속에서 Dirac 콘 쌍은 Dirac 콘 쌍의 수가 특정 금속 또는 화합물의 세부 대칭에 따라 달라지는 재료의 대부분에 형성된다. 바일(Weyl) 반금속은 또한 열린 페르미 아크(open Fermi arcs)로 특이한 표면 상태를 나타낸다.
NbP, TaP, NbAs 및 TaAs는 바일(Weyl) 지점(point)이 페르미 수준 근처에 위치하며 첫 번째 브릴루앙 영역(Brillouin zone)에 총 12 쌍의 바일(Weyl) 노드가 있는 반금속이다.
HER에서 태양광은 Eosin Y (EY)와 같은 광자 포착 시스템(photon capture system)에 의해 흡수된다. 예를 들어, 트리에탄올아민 (TEAO)과 같은 희생제(sacrificial agent)가 있는 경우, 생성된 여기된(excited) 전자는 바일(Weyl) 반금속의 표면으로 전달되어 전하 분리를 유도하여, 물의 H+가 환원되어 H2를 형성한다. 위의 바일(Weyl) 반금속은 이미 HER에 좋은 촉매이지만, 놀랍게도 이러한 바일(Weyl) 반금속 각각의 촉매 HER 효율은 >0 T의 외부 자기장에서 훨씬 더 증가할 수 있다는 것을 발견하였다. 0.3 T 영역에서 촉매 효율 (시간 [시]에 따라 μmol·g-1 촉매에서 H2가 발생한 것으로 측정됨)은 적어도 20 %, 바람직하게는 적어도 40 %, 더욱 바람직하게는 적어도 50 %, 일부 바일(Weyl) 반금속의 경우 최대 약 70 %까지 증가한다. 특히 NbP는 HER 3 시간 후 0.3T에서 영구 자석 근처에서 활동이 거의 두 배가 된다. 외부 자기장의 존재 (및 부재)에서 일부 바일(Weyl) 반금속의 활동이 도 2에 나와 있다.
"외부 자기장에서"는 촉매 물질이 >0T, 바람직하게는 >0.1T, 더욱 바람직하게는 ≥0.3T의 자기장을 경험하도록 영구 또는 전자석에 근접하는 것을 의미한다. 물론 적용된 외부 자기장이 지구의 자기장 (약 20 ~ 50 μT 사이)보다 더 강하다는 것을 의미한다. 촉매 물질 표면의 적어도 일부가 자기장에 노출되어야 하지만 전체 촉매 물질, 즉 촉매 물질의 적어도 70 %, 더욱 바람직하게는 적어도 90 %가 >0 T, 바람직하게는 >0.1 T, 더욱 바람직하게는 >0.3 T의 자기장에 노출되는 것이 바람직하다.
수소 생산을 위한 광촉매 중에서 MoS2 (전통적이고, 위상적으로 자명한(topologically trivial) 촉매)는 광화학적 HER뿐만 아니라 전기 화학적 HER 모두를 촉매하는 높은 효율을 입증하는 것으로 보고되었다. 그러나 MoS2는 외부 장에 노출되었을 때 촉매 거동(behavior)에 거의 변화가 없었다(도 1 참조). 자기장은 바일(Weyl) 반금속에만 영향을 미친다. MoS2는 자기장 (0.3 T, 6 시간)이 있을 때뿐만 아니라 부재시에도 약 625 μmolg-1의 촉매 활성을 나타낸다. TaP를 전기 촉매로 사용하면 113 Oe의 자기장으로 촉매 효율이 34 % 증가한다.
바일(Weyl) 반금속의 제조는 금속 (Ta, Nb) 분말 및 비소 분말을 등몰 비율로 제공하는 단계; 혼합된 분말을 가열하여 다결정 바이너리 1:1 프닉타이드(polycrystalline binary 1:1 pnictide)를 형성하는 단계; 다결정질 프닉타이드 및 전달제(transfer agent), 예를 들어 SnI4 또는 TeI4를 폐쇄된 앰플의 첫 번째 끝에서 밀봉하는 단계; 및 폐쇄된 앰플을 첫 번째 끝에서 약 800 ℃로 가열하고 앰플의 두 번째 끝에서 약 1000 ℃로 가열하여 폐쇄된 앰플의 길이를 따라 온도 구배(temperate gradient)를 생성하여 화학 증기 전달 (CVT) 반응를 통해 프닉타이드 바일(Weyl) 반금속 결정을 성장시킨다. 상응하는 인 함유 화합물은 800 ℃ 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 고체상 반응에 의해 제조될 수 있다.
실시예
본 발명은 실시예를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 본 개시 내용은 하기 실시예의 형태로 추가로 설명된다. 그러나, 전술한 실시예는 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 개시된 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변경 및 수정은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
TaAs의 제조
3.536g 탄탈럼 분말 (순도: 99.98 %) 및 1.464g 비소 분말 (순도: 99.999 %)을 칭량하여 5g (1:1 몰비) 혼합물을 얻었다. 혼합물을 실리카 튜브에 채웠다. 진공 튜브 (압력 < 1 Pa)를 밀봉하고 전기로에서 600 ℃에서 36 시간 동안 가열했다. 그 후 온도는 50 시간 이내에 600℃에서 1050℃로 서서히 상승하고 36 시간 동안 1050℃에서 유지되었다.
300mg의 생성된 다결정 TaAs 및 60mg SnI4를 실리카 앰플의 바닥에 놓았다. 그런 다음 실리카 앰플을 비우고 아르곤 (99.999 %)으로 플럭스(fluxed)한 다음 다시 비우고 (압력 < 1 Pa) 밀봉했다. 폐쇄된 앰플을 3구역 용광로(furnace)에 넣었다. 다결정 TaAs를 포함하는 폐쇄된 앰플의 끝은 첫 번째 구역 내에 있었고 앰플의 반대쪽 끝은 세 번째 구역에 있었다. 두 번째 (중간) 영역은 첫 번째 영역과 세 번째 영역 사이에 있었다. 다결정 TaAs를 포함하는 첫 번째 영역은 800℃로 설정되었고 중간 영역은 1000℃로 설정되었다. CVT 반응 시간은 170 시간이다. TaAs 단결정은 다결정 TaAs를 포함하지 않는 실리카 앰플의 중간에서 끝까지 형성되었다.
단일 결정은 막자사발을 사용하여 분쇄하고 20 μm 체를 사용하여 분리하였다.
NbAs의 제조
NbAs는 니오븀(Niobium)과 비소 원소의 화학양론적 혼합물로부터 TaAs에 대해 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 제조되었다.
NbP, TaP 및 MoS 2 제조
NbP, TaP 및 MoS2는 원소의 화학양론적 혼합물로부터 고체상 반응 (TaAs와 동일하지만 CVT 없음)에 의해 성장되었다.
모든 화합물은 XRD로 특성화되었다.
HER의 실험적 설정
실험 설정은 도 4에 나와 있으며 할로겐 전구 (1), 반응 용기 (2) 및 한 쌍의 영구 자석 (3)으로 구성된 어셈블리로 구성된다. 할로겐 전구 (1)을 유리 반응 용기 (2)와 일렬로 배치하고 자석 (3)을 반응 용기 (2) 아래에 배치했다. 발생된 H2는 1 시간 간격으로 용기 (2)의 헤드스페이스 (4)에서 수집되었으며 Perkin Elmer 580C 가스 크로마토그래프에서 열전도도 검출기를 사용하여 분석되었다.
실험 세부 정보
유리 용기에서 3-4 mg의 촉매를 트리에탄올아민 (TEAO)을 포함하는 50 mL의 물에 분산시켰다. 샘플이 담긴 유리 용기를 NdFeB 자석 위에 직접 놓았다 (도 4 참조, 서로 붙어있는 두 개의 막대 자석, B ~ 3000 Gauss). 반응을 시작하기 전에 Eosin Y 염료를 혼합물에 첨가하였다.
자기장 존재 하에서 실험을 수행한 후, 자기장이 없는 상태에서 제어 반응을 수행하였다. 모든 측정은 실온 (약 23 ℃)에서 수행되었으며 재현성을 위해 3회 반복되었다.
도 1은 MoS2 및 NbP의 HER 촉매 활성을 외부 자기장이 있는 경우 ("m"로 표시) 및 외부 자기장이 없는 경우의 비교를 보여준다. 위상적으로 비자명한(topologically non-trivial) NbP의 활동은 외부 자기장 (NbP (m))의 적용에 따라 크게 증가하는 반면 위상적으로 자명한(topologically trivial) MoS2의 활동은 많이 변하지 않는다 (MoS2 (m) 및 MoS2).
도 2는 바일(Weyl) 반금속 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs의 HER 활성 비교를 보여준다.
(그래프 a) 적용된 자기장 및
(그래프 b) 자기장이 없을 때.
NbP, TaP, TaAs 및 NbAs의 활성 (3 시간 후)은 0.3T의 외부 자기장에서 각각 420, 220, 180 및 390 μmolg-1에서 720, 320, 280 및 450 μmolg-1로 증가한다.
도 3은 염료 감응 수소 발생을 촉매하기 위한 바일(Weyl) 반금속의 개략도이다. 빛이 Eosin Y에 떨어질 때 그것은 여기되고, 희생제인 트리에탄올아민 (TEAO)의 존재 하에 염료는 바일(Weyl) 반금속의 표면으로 전자를 전달하여 전하 분리를 유도하여 물을 (H2O에서의 H+) 수소로 환원시킨다.
도 5는 HER에 대한 촉매로서 TaP의 촉매 성능을 보여준다. -0.36V 대 가역 수소 전극 (RHE)의 전위가 측정에 사용된다. 자기장이 적용되지 않으면 0.129mA의 전류가 관찰된다. 113 Oe의 자기장을 적용하면 전류가 0.172mA로 증가한다. 이는 34 %의 효율 증가에 해당한다.

Claims (6)

  1. 수소 발생 반응의 효율을 높이기 위한 >0 T의 자기장에서 바일(Weyl) 반금속의 용도.
  2. 제1항에 있어서, 상기 효율은 자기장이 적용되지 않는 효율과 비교하여 적어도 20 % 증가하는 것인 용도.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 바일(Weyl) 반금속은 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물인 용도.
  4. 바일(Weyl) 반금속을 >0 T의 외부 자기장에 노출시키는 것을 포함하는 바일(Weyl) 반금속의 촉매 활성을 증가시키는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바일(Weyl) 반금속은 NbP, TaP, NbAs 및 TaAs로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물인 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 수소 발생 반응에서 상기 촉매 활성이 증가하는 것인 방법.
KR1020207026259A 2018-02-14 2019-02-06 자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상 KR102662594B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IN201811005625 2018-02-14
IN201811005625 2018-02-14
PCT/EP2019/052874 WO2019158414A1 (en) 2018-02-14 2019-02-06 Enhancing photocatalytic water splitting efficiency of weyl semimetals by a magnetic field

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200141030A true KR20200141030A (ko) 2020-12-17
KR102662594B1 KR102662594B1 (ko) 2024-05-03

Family

ID=65496739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207026259A KR102662594B1 (ko) 2018-02-14 2019-02-06 자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11638913B2 (ko)
EP (1) EP3752452A1 (ko)
JP (1) JP7270321B2 (ko)
KR (1) KR102662594B1 (ko)
CN (1) CN112119034A (ko)
WO (1) WO2019158414A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3798332A1 (en) * 2019-09-25 2021-03-31 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method of boosting hydrogen evolution activity of electrocatalysts
CN113145133B (zh) * 2020-02-17 2022-11-22 山东大学 一种基于金属-半导体复合结构的光催化材料及其制备方法与磁场辅助应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001034300A1 (fr) * 1999-11-12 2001-05-17 Yugen Kaisha Kankyogijyutsu Kenkyusho Procede permettant de renforcer une reaction de catalyseur
JP2013081874A (ja) * 2011-10-06 2013-05-09 Hitachi Zosen Corp 光触媒水素生成デバイスおよび水素製造設備
US20150259810A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-17 California Institute Of Technology Hydrogen evolution reaction catalysis
KR101709014B1 (ko) * 2015-09-17 2017-03-09 한양대학교 산학협력단 광전기 화학 전극 및 이를 포함하는 광전기 화학 장치

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8012269B2 (en) * 2004-12-27 2011-09-06 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Nd-Fe-B rare earth permanent magnet material
WO2011011064A2 (en) 2009-07-24 2011-01-27 Stc.Unm Efficient hydrogen production by photocatalytic water splitting using surface plasmons in hybrid nanoparticles
EP2407419A1 (en) 2010-07-16 2012-01-18 Universiteit Twente Photocatalytic water splitting
WO2015003040A1 (en) 2013-07-05 2015-01-08 University Of Houston High-efficiency solar water splitting by nanocrystalline cobalt (ii) oxide photocatalyst and uses thereof
US10214797B2 (en) * 2015-11-16 2019-02-26 Trustees Of Princeton University Method for production and identification of Weyl semimetal
CN107620122B (zh) * 2016-07-13 2020-11-06 清华大学 一种金属铂的半金属化合物及其制备方法
CN107620123B (zh) * 2016-07-13 2020-09-08 清华大学 一种金属铂的半金属化合物的制备方法
US10090466B2 (en) * 2016-07-21 2018-10-02 Massachusetts Institute Of Technology Far-infrared detection using Weyl semimetals
EP3548184A4 (en) * 2016-12-01 2020-05-06 Cetamax Ventures Ltd. DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN BY ELECTROLYSIS
US10256391B2 (en) * 2017-08-25 2019-04-09 International Business Machines Corporation Thermoelectric device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001034300A1 (fr) * 1999-11-12 2001-05-17 Yugen Kaisha Kankyogijyutsu Kenkyusho Procede permettant de renforcer une reaction de catalyseur
JP2013081874A (ja) * 2011-10-06 2013-05-09 Hitachi Zosen Corp 光触媒水素生成デバイスおよび水素製造設備
US20150259810A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-17 California Institute Of Technology Hydrogen evolution reaction catalysis
KR101709014B1 (ko) * 2015-09-17 2017-03-09 한양대학교 산학협력단 광전기 화학 전극 및 이를 포함하는 광전기 화학 장치

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019158414A1 (en) 2019-08-22
EP3752452A1 (en) 2020-12-23
JP2021515691A (ja) 2021-06-24
US11638913B2 (en) 2023-05-02
KR102662594B1 (ko) 2024-05-03
US20200376470A1 (en) 2020-12-03
CN112119034A (zh) 2020-12-22
JP7270321B2 (ja) 2023-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ai et al. Construction of CdS@ Ti3C2@ CoO hierarchical tandem pn heterojunction for boosting photocatalytic hydrogen production in pure water
Pan et al. Constructing TiO2 pn homojunction for photoelectrochemical and photocatalytic hydrogen generation
Niu et al. Hydrothermal synthesis, structural characteristics, and enhanced photocatalysis of SnO2/α-Fe2O3 semiconductor nanoheterostructures
Li et al. Photoelectrochemical splitting of natural seawater with α-Fe2O3/WO3 nanorod arrays
Gun et al. Joint effects of photoactive TiO2 and fluoride-doping on SnO2 inverse opal nanoarchitecture for solar water splitting
Khan et al. Effect of oxygen content on the photoelectrochemical activity of crystallographically preferred oriented porous Ta3N5 nanotubes
Song et al. Hydrothermal synthesis of iron pyrite (FeS2) as efficient counter electrodes for dye-sensitized solar cells
Cheng et al. 3D TiO2/SnO2 hierarchically branched nanowires on transparent FTO substrate as photoanode for efficient water splitting
Zhang et al. Highly enhanced photocatalytic H2 evolution of Cu2O microcube by coupling with TiO2 nanoparticles
Huo et al. A transparent cobalt sulfide/reduced graphene oxide nanostructure counter electrode for high efficient dye-sensitized solar cells
Tsui et al. Titania nanotubes by electrochemical anodization for solar energy conversion
Khedekar et al. Simple electrochemical synthesis of cuprous oxide nanoparticles and their application as a non-enzymatic glucose sensor
Tong et al. Mo incorporated Ni nanosheet as high-efficiency co-catalyst for enhancing the photocatalytic hydrogen production of g-C3N4
Zhou et al. Bi2Se3, Bi2Te3 quantum dots-sensitized rutile TiO2 nanorod arrays for enhanced solar photoelectrocatalysis in azo dye degradation
Ma et al. Direct Z-scheme Sn-In 2 O 3/In 2 S 3 heterojunction nanostructures for enhanced photocatalytic CO 2 reduction activity
Fu et al. ZnO nanowire arrays decorated with PtO nanowires for efficient solar water splitting
Du et al. Interface and defect engineering of a hollow TiO2@ ZnIn2S4 heterojunction for highly enhanced CO2 photoreduction activity
Liu et al. Controllable synthesis of [11− 2− 2] faceted InN nanopyramids on ZnO for photoelectrochemical water splitting
KR102662594B1 (ko) 자기장에 의한 바일 반금속의 광촉매 물 분해 효율 향상
Karuturi et al. CdS/TiO2 photoanodes via solution ion transfer method for highly efficient solar hydrogen generation
Afzali et al. Improved perovskite solar cell with 2H–TaS2 nanosheets as an electron transport layer using microwave irradiation
Nasori et al. Realizing super-long Cu2O nanowires arrays for high-efficient water splitting applications with a convenient approach
Lv et al. Modulated anodization synthesis of Sn-doped iron oxide with enhanced solar water splitting performance
Lv et al. Improved photocatalytic activity of highly ordered TiO2 nanowire arrays for methylene blue degradation
Liu et al. Grey hematite photoanodes decrease the onset potential in photoelectrochemical water oxidation

Legal Events

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