KR20210144385A - 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인듐 옥사이드 박막 및 상기 박막 상에 형성된 인듐 옥사이드 나노 막대; 및 상기 나노 막대 상에 전착된 비스무트 바나데이트를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극과 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 광전극은 나노막대 구조의 하부전극을 도입하여 상부전극의 나노구조화가 가능하며, 광전하의 분리를 향상시켜 태양광 물분해 효율이 증가하는 효과를 갖는다.

Description

비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극 및 이의 제조방법 {PHOTOELECTRODE COMPRISING BISMUTH VANADATE/INDIUM OXIDE HETEROGENEOUS NANORODS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업혁명 이후 약 300년간 사용되어 온 화석연료는 지구온난화, 대기오염 등 수많은 에너지 및 환경문제를 일으켜왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소를 배출하지 않는 친환경 신재생에너지를 개발하는 다수의 연구들이 진행 중이며, 그중 태양에너지는 연간 세계 전력소비량의 9600배에 달하는 방대한 에너지를 방출해 미래의 에너지원으로 가장 주목받고 있는 에너지이다.
그러나 태양에너지를 전기에너지 형태로 바꾸는 기존의 태양전지 형태는 에너지의 저장 및 수송 측면에서 여러 한계점을 가지므로, 태양 연료 형태로의 변환이 주목받고 있다. 그중 수소 에너지는 연소 시 물 이외의 부산물이 발생하지 않아 오염이 없는 깨끗한 에너지로 주목받고 있지만, 현재의 수소 에너지 생산 방식 대부분은 화석연료 개질 방식이기 때문에 친환경적이지 않다.
이를 해결하기 위해 태양광 물분해 수소생산 기술이 활발하게 연구되고 있다. 상기 태양광 물분해 수소 생산기술은, 태양광을 광전극에 입사시킬 때 발생하는 전자와 정공을 이용하여, 광전극과 전해질 사이의 계면에서 물을 분해하여 수소를 생산한다. 이러한 물분해 반응을 일으키기 위한 전압은 열역학적으로 1.23 V지만, 계면반응 속도로 인해 과전압이 필요하다. 그러나 종래 물분해 수소생산방식에서는 광전극이 생산하는 광전압이 물분해에 필요한 1.23 V + 과전압에 못미치기 때문에, 외부 바이어스가 필요한 비자발적인 반응으로 수소생산이 수행된다. 특히 물분해 반응 시 산소 발생 반응이 발생하는 광양극의 과전압이 광음극의 과전압보다 높은 반응속도 결정단계이기 때문에, 높은 광전압을 생산하고 계면반응 속도를 극대화할 수 있는 광양극 물질의 개발이 필요하다.
기존의 광양극 물질로 많이 사용되는 비스무스 바나데이트 (BiVO4)는 비귀금속 기반의 소재로 저렴하고, 물분해에 적합한 밴드갭 (2.5 eV)과 산소발생 반응에 적합한 밴드 위치를 가지는 장점이 있지만, 계면반응 속도가 느려 전하 재결합, 광부식 등 여러 문제를 야기하였다.
이를 해결하기 위해서는 외부원소 도핑이나 산소 공극 농도 조절 등을 통해 BiVO4의 내적 특성을 바꾸거나 BiVO4에 다른 광전극 물질을 접합시켜 이종접합을 형성해 광전극 전체의 물성을 향상시키는 기술을 개발해 태양광 물분해 반응의 효율을 높여야 한다.
대한민국 공개특허 제2010-0073864호
본 발명의 목적은, 인듐 옥사이드 박막 및 인듐 옥사이드 나노막대가 형성된 하부 전극 위에 비스무트 바나데이트가 전착되어 상부전극이 형성된 이종접합 나노막대를 포함하는 광양극과 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 도전성 기재;
상기 도전성 기재 상에 형성된 인듐 옥사이드 박막 및 상기 박막 상에 형성된 인듐 옥사이드 나노 막대; 및
상기 나노 막대 상에 전착된 비스무트 바나데이트를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전극은 태양광 물분해용인 것을 특징으로 한다.
본원의 제 2 측면은, 본 발명은 도전성 기재 상부에 인듐 옥사이드 박막을 증착하는 단계(S1);
상기 박막 상에 빗각 침적(glancing angle deposition) 방식으로 인듐 옥사이드 나노막대를 증착하여 하부 전극을 제조하는 단계(S2); 및
S2 단계에서 제조한 하부 전극에 비스무트 바나데이트를 전착하여 상부 전극을 형성하는 단계(S3)를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 S2 단계의 증착은 70° 내지 90°의 빗각으로, 인듐 옥사이드 박막이 증착된 도전성 기재를 50 내지 100 rpm으로 회전시키면서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 S2 단계의 증착 속도는 0.1Å/s 내지 1Å/s인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 S2 단계의 증착이 완료되면, 400 내지 600℃의 온도로 60분 내지 240분 동안 열처리하는 단계(S2')를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 S3 단계는,
전기전착 용액에 담지된 상대전극, 기준전극 및 상기 하부 전극을 준비하는 단계(S3-1); 및
상기 하부 전극에 펄스 전류를 인가하여 하부 전극 표면에 비스무트 바나데이트를 전착시키는 단계(S3-2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원의 일구현예에 따르면, 상기 전기전착 용액은 바나딜설페이트 및 비스무스(III) 니트레이트를 포함하는 것이고, pH가 4 내지 6이며, 온도가 60 내지 100℃인 것을 특징으로 한다.
본원의 일구현예에 따르면, 상기 상대 전극은 백금 전극이고, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것을 특징으로 한다.
본원의 일구현예에 따르면, 상기 펄스 전류는,
온 시간과 오프 시간으로 구성된 일정 주기를 가지고 반복되도록 인가되는 것이고, 상기 온 시간은 10초, 상기 펄스 전류의 오프 시간은 30초인 것을 특징으로 한다.
본원의 일구현예에 따르면, 상기 펄스 전류는 1 내지 60 사이클로 반복하여 인가되는 것을 특징으로 한다.
본원의 일구현예에 따르면, 상기 펄스 전류는 3 사이클로 반복하여 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광전극은, 나노 막대 구조의 하부전극을 이용한 것으로, BiVO4 상부 전극이 나노구조화되어 형성될 수 있다. 그 결과 빛 반사가 줄어들어 광흡수가 증가할 수 있고, 광전극/전해질 계면까지의 거리가 감소해 전하의 이동 및 분리 효율이 늘어나며, 비표면적의 증가로 전체적인 표면 반응 사이트가 증가해 물분해 효율이 증가할 수 있으므로, 효율적인 태양광에 의한 물분해에 활용될 수 있는 광전극으로 이용할 수 있다. 또한 하부 전극 물질로서 In2O3을 도입하여 BiVO4와 Type Ⅱ 밴드구조를 형성함으로써 광전하의 분리를 향상시켜 우수한 광전기화학적 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 BiVO4/In2O3 이종접합 광전극의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 이종접합 광전극의 제조방법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에서 인듐 옥사이드의 열처리 온도에 따른 엑스레이 회절 (XRD) 분석 결과, 선형주사전위법 (LSV) 측정 결과 및 주사전자현미경분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 광전극의 엑스레이 회절 (XRD) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제조방법에서 펄스 사이클에 따른 광전극의 주사전자현미경 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 발명의 제조방법에서 펄스 사이클에 따른 광전극의 선형주사전위법 (LSV) 분석 결과를 나타낸 도면이다 (후면입사, 전면입사, 1.23 V).
도 7은 본 발명의 광전극의 밴드구조 분석 결과를 나타낸 도면이다(UV-vis, UPS, 밴드구조).
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
태양광에 의한 물분해로 수소를 효율적으로 생성하기 위해서는, 광흡수, 광전하분리, 표면전하전달 등 물분해의 세가지 단계의 효율을 높여야 한다. 이를 위해서는 광전극 물질의 나노 구조화가 필요하다. 광전극이 나노구조를 가지면 평평한 구조에 비해 빛반사율이 감소하면서 빛흡수가 증가하고, 물질 내부에서부터 전해질과의 계면까지의 거리가 감소해 광전하의 이동이 증가하며, 비표면적이 증가해 표면전하전달이 가능한 면적이 증가하여 표면반응속도가 증가함으로써 세가지 측면 모두에서 효율 증가를 얻을 수 있다.
이에 본 발명자들은 비스무스 바나데이트를 기반으로 한 광전극에 주목하였고, BiVO4 기반 광전극의 나노구조화를 위해서 BiVO4의 하부전극으로서 나노막대 구조를 갖는 산화물 광전극을 도입하였다. 또한 나노막대 구조 위에 펄스 기반 전기전착법으로 BiVO4를 합성하면 막대 상에 균일하게 코팅되어 박막 구조 위에 합성한 BiVO4에 비해 나노구조에 의한 효율증가 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
따라서 본 발명은 도전성 기재; 상기 도전성 기재 상에 형성된 인듐 옥사이드 박막 및 상기 박막 상에 형성된 인듐 옥사이드 나노 막대; 및 상기 나노 막대 상에 전착된 비스무트 바나데이트를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극을 제공하는 것으로, 본 발명의 광전극의 단면을 도 1에 모식화하여 나타내었다.
상기 도 1을 참조하여, 본 발명의 광전극은 In2O3 박막 구조 하부 전극(100), In2O3 나노 막대 구조 하부 전극(200), 및 BiVO4 상부 전극(300)을 포함하는 것이다.
또한, 본 발명은 도전성 기재 상부에 인듐 옥사이드 박막을 증착하는 단계(S1); 상기 박막 상에 빗각 침적(glancing angle deposition) 방식으로 인듐 옥사이드 나노막대를 증착하여 하부 전극을 제조하는 단계(S2); 및 S2 단계에서 제조한 하부 전극에 비스무트 바나데이트를 전착하여 상부 전극을 형성하는 단계(S3)를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법을 도식화하여 도 2에 나타내었다.
본 발명의 광전극은 태양광 물분해용 전극으로 활용된다. 본 발명의 광전극은 이종접합 구조를 형성하여, 광전기화학적 효율이 우수한 광전극으로 활용될 수 있다.
본 발명의 S1 단계는 도전성 기재 상부에 인듐 옥사이드 박막을 증착하는 단계이다. 상기 도전성 기재는 도전성을 갖는 기재라면 제한없이 사용할 수 있고, 예를들어 ITO, FTO 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 증착은 전자빔 증착장비 (E-beam evaporator)를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 증착은 0°의 각도로 기재를 회전시키지 않으면서 수행될 수 있다. 상기 박막은 1 내지 100 nm의 두께로 증착될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 S2 단계는 S1 단계에서 형성된 박막 상에 빗각 침적(glancing angle deposition) 방식으로 인듐 옥사이드 나노막대를 증착하여 하부 전극을 제조하는 단계이다. S2 단계 역시 전자빔 증착장비를 이용하여 수행되며 70° 내지 90°의 빗각으로, 인듐 옥사이드 박막이 증착된 도전성 기재를 50 내지 100 rpm으로 회전시키면서 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는 80 내지 85° 의 각도로 수행될 수 있다. S2 단계의 증착속도는 0.1Å/s 내지 1Å/s일 수 있다. 1 Å/s를 초과할 경우 전자빔 증착장비의 진공도에 영향을 줄 수 있다. 상기 나노막대는 1 내지 5 ㎛의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 S2 단계의 증착이 완료되면, 400 내지 600℃의 온도로 60분 내지 240분 동안 열처리하는 단계(S2')를 더 수행할 수 있다. 더 바람직하게는 500℃ 내지 600℃의 온도로 90분 내지 150분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 S3 단계는 S2 단계에서 제조한 하부 전극에 비스무트 바나데이트를 전착하여 상부 전극을 형성하는 단계이다. 상기 전착은 펄스 기반 전기 전착법을 통해서 수행되는 것으로, 보다 상세하게는 전기전착 용액에 담지된 상대전극, 기준전극 및 상기 하부 전극을 준비하는 단계(S3-1); 및 상기 하부 전극에 펄스 전류를 인가하여 하부 전극 표면에 비스무트 바나데이트를 전착시키는 단계(S3-2)를 통해 수행된다. 상기 전기전착 용액은 바나딜설페이트 및 비스무스(III) 니트레이트를 포함하는 것이고, pH가 4 내지 6이며, 온도가 60 내지 100℃일 수 있다.
상기 S3-2 단계에서 전류는, 온 시간과 오프 시간으로 구성된 일정 주기를 가지고 반복되도록 펄스사이클을 구성하여 인가되는 것이다. 상기 온 시간은 10초, 상기 펄스 전류의 오프 시간은 30초일 수 있다. 본 발명의 실시예와 같이, 0V : 1.5~2.0 V = 30 s : 10 s가 되도록 펄스 사이클을 구성할 수 있다.
상기 펄스 전류는 1 내지 60 사이클로 반복하여 인가될 수 있다. 바람직하게는 3 사이클로 반복하여 인가되는 것이 인듐옥사이드와 비스무스바나데이트가 Type Ⅱ 밴드구조를 형성하게하며, 이로 인해 광전하의 분리를 향상시켜 우수한 광전기화학적 특성을 갖게 한다.
상기 상대 전극은 백금 전극일 수 있고, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서는 In2O3 나노막대 광전극을 도입해 BiVO4의 나노구조화를 구현하였을 뿐 아니라, Type Ⅱ 이종접합 밴드구조를 형성하였다. Type Ⅱ 이종접합 밴드 구조란, 둘 이상의 반도체의 가전자대, 전도대의 밴드위치가 계단식 구조를 이루어 광전하 (전자, 정공)의 분리 및 이동이 극대화되는 것이다. 기존의 BiVO4와 Type Ⅱ 이종접합 밴드구조를 형성하는 물질에는 WO3, SnO2 등이 있었으나 본 발명에서는 In2O3 가 BiVO4와 Type Ⅱ 밴드구조를 갖는다는 것을 처음으로 확인한 것이며, 현저하게 향상된 광전기화학적 특성을 확인한 바 있다.
본 발명의 실시예에서는 BiVO4의 광전기화학적 효율을 향상시키기 위해 In2O3 나노막대를 도입하여 BiVO4를 나노구조화 하였고, 그 결과 BiVO4와 Type Ⅱ 밴드구조를 형성해 광전하분리를 극대화시킨다는 것을 확인하였다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예 1. E-beam evaporator 기반의 glancing angle deposition 방법을 통한 In 2 O 3 나노막대 합성
본 실시예 1에서는 E-beam evaporator를 사용하여 glancing angle deposition 방법을 통해 FTO 기재 위에 In2O3 나노막대를 합성하였다. 장비에 In2O3 소스를 넣고, FTO를 로딩한 후에 나노막대의 부착력을 높이기 위해서 glancing angle은 0°로 설정하고, 기판은 회전시키지 않으면서 In2O3 박막을 20nm 증착하였다.
증착이 완료되면, 다시 glancing angle을 82.5°로 하여, 기판은 82~84 rpm 정도로 회전시키면서 나노막대를 증착하여 하부 전극을 제조하였다. 상기 증착 속도는 1Å/s 이하로 하였고, 나노막대의 길이가 3㎛ 정도가 될 때까지 증착을 진행하였다.
증착 후에 각각 400℃, 500℃, 및 600℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이때 승온 속도는 2℃/min으로 하였다. 상기 열처리가 완료되면, 엑스레이 회절 분석(Bruker 社, D8-advance), 선형주사전위법 (LSV) 측정 및 주사전자현미경 분석(MERLIN Compact, FE-SEM)을 수행하여 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 것과 같이, XRD 분석 결과, 모든 열처리 온도에서 cubic 구조의 In2O3가 잘 형성됨을 확인하였고, 0.5 M K-Pi + 1.05 M Na2SO3 전해질에서 LSV 측정 결과, 600℃에서 열처리한 In2O3가 가장 우수한 광전기화학 특성을 보이는 것을 확인하였다.
실시예 2. 펄스 기반 전기전착법을 통한 BiVO 4 /In 2 O 3 합성
본 실시예 2에서는 상기 실시예 1에서 합성된 In2O3 나노막대 위에 펄스 기반 전기전착법으로 BiVO4를 전착해주었다. 전기전착 용액을 만드는 순서는 다음과 같다. 130 ml DI water에 VOSO4 30 mM을 용해한 후에 HNO3를 이용해 pH 0.5 이하로 낮춰주었다. 그후 Bi(NO3)3 30 mM을 용해한 후에 2 M CH3COONa을 넣어 pH 5.1로 높이고, HNO3를 이용해 최종적으로 pH 4.7로 맞춰 전기전착 용액을 제조하였다.
전기전착을 위해, 상대전극은 Pt mesh를 사용하고, 기준전극은 3M Ag/AgCl 전극을 사용하였으며, 작동전극은 실시예 1에서 제조한 In2O3 전극으로 하였다. 80℃로 온도가 맞춰진 전기전착 용액에 상기 3전극을 담가 연결하고, 0V : 1.95 V = 30 s : 10 s가 되도록 펄스 사이클을 구성하여, 150 rpm의 속도로 교반하면서 3~54 사이클로 전기전착을 수행하였다. 합성 후에는 500℃에서 6시간 동안 열처리하고 이때 승온 속도는 2℃/min으로 하였다.
상기 전기전착이 완료된 전극을 대상으로 XRD 분석을 수행하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서 확인할 수 있는 것과 같이 모든 cubic 구조의 In2O3와 monoclinic 구조의 BiVO4가 잘 형성됨을 확인할 수 있었다.
실시예 3. 펄스 사이클에 따른 광전극의 특성 확인
상기 실시예 2에서 제작된 광양극을 주사전자현미경을 통해 확인하여 도 5에 나타내었다. 도 5에서 SEM 분석 결과 펄스 전기전착법으로 합성한 BiVO4의 펄스 사이클이 늘어남에 따라 In2O3 나노막대를 두껍게 덮는 것을 확인할 수 있다.
도 6에 펄스 사이클에 따른 BiVO4/In2O3 이종접합 광양극의 선형주사전위법 (LSV) 측정 결과를 나타내었다. 0.5 M K-Pi + 1.0 M Na2SO3 전해질에서 빛을 각각 후면입사, 전면입사시켜 측정한 결과, 3 사이클의 펄스 전기전착법을 수행한 BiVO4/In2O3 이종접합 광전극 샘플이 RHE 기준 1.23 V에서 가장 높은 광전류밀도를 보였으며 후면입사 시에 더욱 우수한 광전기화학적 특성을 보이는 것이 확인되었다.
실시예 4. BiVO 4 /In 2 O 3 이종접합 광양극의 밴드구조 분석
상기 실시예 1에서 열처리를 600℃로 하고, 실시예 2에서 3사이클의 펄스 전기전착법을 수행한 광전극을 대상으로 밴드구조를 분석하여 도 7에 나타내었다.
UPS 측정을 통해 work function (진공 level부터 Fermi energy level까지의 에너지 차이)과 Fermi energy부터 가전자대까지의 에너지 차이를 구했고, UV-vis spectroscopy 측정을 통한 absorbance 분석을 통해 In2O3 및 BiVO4 광전극의 밴드갭을 도출하였다. 도출된 결과를 통해, BiVO4/In2O3 이종접합 광전극의 밴드구조를 파악할 수 있었고, BiVO4/In2O3 광전극이 Type Ⅱ 밴드구조 (가전자대와 전도대의 위치가 계단식 구조를 형성)를 형성하는 것을 확인하였다.
본 발명은 한국수력원자력주식회사의 재원으로 "태양광 물분해용 이종접합 나노구조 광전극소재개발"과제의 지원을 받아 수행된 것임(0543-20190019).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 도전성 기재; 및
    상기 도전성 기재 상에 형성된 인듐 옥사이드 박막 및 상기 박막 상에 형성된 인듐 옥사이드 나노 막대; 및
    상기 나노 막대 상에 전착된 비스무트 바나데이트를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극.
  2. 제1항에 있어서
    상기 광전극은 태양광 물분해용인 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극.
  3. 도전성 기재 상부에 인듐 옥사이드 박막을 증착하는 단계(S1);
    상기 박막 상에 빗각 침적(glancing angle deposition) 방식으로 인듐 옥사이드 나노막대를 증착하여 하부 전극을 제조하는 단계(S2); 및
    S2 단계에서 제조한 하부 전극에 비스무트 바나데이트를 전착하여 상부 전극을 형성하는 단계(S3)를 포함하는, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 S2 단계의 증착은 70° 내지 90°의 빗각으로, 인듐 옥사이드 박막이 증착된 도전성 기재를 50 내지 100 rpm으로 회전시키면서 수행되는 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 S2 단계의 증착 속도는 0.1Å/s 내지 1Å/s인 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 S2 단계의 증착이 완료되면, 400 내지 600℃의 온도로 60분 내지 240분 동안 열처리하는 단계(S2')를 더 포함하는 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 S3 단계는,
    전기전착 용액에 담지된 상대전극, 기준전극 및 상기 하부 전극을 준비하는 단계(S3-1); 및
    상기 하부 전극에 펄스 전류를 인가하여 하부 전극 표면에 비스무트 바나데이트를 전착시키는 단계(S3-2)를 포함하는 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기전착 용액은 바나딜설페이트 및 비스무스(III) 니트레이트를 포함하는 것이고, pH가 4 내지 6이며, 온도가 60 내지 100℃인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상대 전극은 백금 전극이고, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 전류는,
    온 시간과 오프 시간으로 구성된 일정 주기를 가지고 반복되도록 인가되는 것이고, 상기 온 시간은 10초, 상기 펄스 전류의 오프 시간은 30초인 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 전류는 1 내지 60 사이클로 반복하여 인가되는 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 전류는 3 사이클로 반복하여 인가되는 것인, 비스무스 바나데이트/인듐 옥사이드 이종접합 나노막대를 포함하는 광전극의 제조방법.
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