우리 마을과 도시, 우리가 운전하는 차량, 전자 장치를 충전하고 전원으로 전력을 공급하는 것은 모두 연료의 에너지에 의존합니다. 세계가 전통적인 화석 연료 공급원에서 벗어나면서 에너지를 제공하기 위해 지속 가능한 "녹색"연료 공급원이 필요합니다.
수소 (h 2 )) 가장 유망한 지속 가능한 연료 중 하나로 부상했습니다. 에너지 밀도가 높고 (120 mj/kg) 깨끗하게 화상을 입어 물과 열만 생산합니다. 그러나 H 2 지구상에는 자연스럽게 존재하지 않으며 대부분의 수소는 천연 가스 개혁에 의해 생성되며, 이는 지속 불가능한 장기 생산 방법으로 간주됩니다. 태양이 지구의 무기한 자원 중 하나이므로 태양열 수소 생산이 바람직한 경로라는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
태양 보조 물 분할 (광전 화학 물 분할이라고도 함)은 태양의 에너지와 촉매를 사용하여 물을 끊는 과정입니다 (H 2 o) 수소와 산소로. 이 물 분할 반응은 온실 가스 또는 위험한 부산물을 생성하지 않으며 지속 가능한 수소 생산을위한 경로를 제공 할 수 있습니다. 많은 광활성 촉매 중에서, 적철광으로 알려진 산화철 결정. 이 반응을 연구하기위한 가장 매력적인 재료 중 하나입니다. 그것은 태양 스펙트럼의 대부분을 가로 질러 빛을 흡수하여 15%의 이론적 태양열에서 수소 전환 효율을 제공 할 수 있습니다. 또한, 이는 비싼 산소 진화 반 반응을 수행하기 위해 저렴하고 풍부하며 무독성이며 잘 위치됩니다. 그러나, 적철광은 상하 재조합 속도 및 표면에서의 부진한 반응 속도와 같은 전자 특성이 열악하기 때문에 약속과 비교하여 실험적으로 성능이 저조하다.
.적철광의 표면을 수정하고 물 분할 반응을 수행하는 능력을 향상시킬 수 있습니까? 예. 실제로, 몇몇 연구자들은 무기 및 유기 표면 코팅이 이러한 영향을 미친다는 것을 보여 주었다. 구체적으로, 탄소 코팅은 적철광의 성능을 증가시킬 수있는 큰 잠재력을 보여 주었다 (광전류 밀도의 가치로 측정). 그러나 이러한 탄소 코팅이 적철광을 개선하는 메커니즘은 잘 이해되지 않습니다. 우리의 최근 연구에서, 우리는이 메커니즘을 발견하려는 시도에서 하나의 원자의 탄소 (그래 핀)가 적철광에 대한 오버 레이어로서의 효과를 제안하고 연구합니다.
.그래 핀은 다른 유형의 탄소와 고유 한 특성을 가지고있어 광전 전극을 개선하고 이러한 개선의 메커니즘을 연구 할 수있는 좋은 잠재적 오버 레이어가됩니다. 높은 이동성 전하 운송 업체는 적철광의 전기 특성을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그것은 물이 분할 환경에서 불활성이어서 안정적입니다. 단일 층 그래 핀은 화학 기상 증착 방법을 통해 안정적으로 합성 될 수 있으며 광촉매의 표면으로 쉽게 전달되어 쉽고 재현 가능한 제조를 가능하게합니다.
.그래 핀 코팅은 물 분할 반응을 촉매하는 적철광의 능력을 향상시킨다. 광전류 밀도는 베어 광 전극에 비해 그래 핀의 존재 하에서 우수한 재현성으로 1.6 배 증가한다.
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그래 핀 오버 레이어의 역할을 더 탐구하기 위해, 운동 연구가 수행된다. 반응의 전체 효율은 두 가지 속도 상수에 의존합니다. 표면에서 물 분할 반응으로 전하가 얼마나 빨리 전달 되는가 (전하 전달, k trans ) 그리고 재결합이 얼마나 빨리 충전되는지 (k rec ) (그림 1에 설명). 우리는 그래 핀의 존재 하에서 전하 전달 속도가 실제로 감소한다는 것을 발견했다. 전하 재조합 속도에 관해서는 극적인 감소가 관찰됩니다.
예를 들어, 주어진 전위에서, 베어 적철광의 표면에있는 전하는 여기서 연구 된 71 초의 속도로 재조합하는 반면, 그래 핀 코팅 된 적철광은 재조합 속도가 13 초입니다. 이러한 재조합의 실질적인 감소는 물-분할 반응에 참여하기 위해 더 높은 수율의 전하 운반체를 초래하며, 이는 개선 된 성능의 근본적인 원인 일 수있다. 전반적으로, 이것은 반응의 전하 전달 효율을 8%증가시킨다.
.결론적으로, 단일 층 그래 핀을 적철광 표면으로 전달함으로써 그래 핀 코팅 된 적철광 광 전극을 만들 수 있으며, 이는 물 분할 반 반응의 더 높은 효율을 보여줍니다. 적철광은이 연구에서 선택된 시험 재료 였지만, 우리는 그래 핀 및 기타 탄소 기반 오버 레이어가 표면 재조합을 감소시키고 다양한 반도체 광전질의 촉매 특성을 개선하는 데 유용 할 수 있다고 생각합니다. 수소 연료의 지속 가능한 생산을 위해 고효율, 상업적으로 실행 가능한 광전질 및 광전자 화학 세포를 설계하는 데 궁극적으로 물 분할 반응 및 메커니즘을 이해하는 데 필수적입니다.
