2020년 5월 27일 저널 Nature에 발표된 이 논문에서는
"알루미늄으로 도핑된 SrTiO3 광촉매(SrTiO3:Al)를 이용하여 350~360nm 파장에서 solar water splitting의 양자효율이 최대 96%까지 도달했음"을 입증하였다.
태양에너지를 변환시켜 수소와 산소 가스를 발생시키는 water splitting 반응에 필요한 광촉매(photocatalysts) 물질이 높은 변환효율을 갖기 위해서는 광촉매가 좁은 밴드갭 에너지(Eg)을 가져야 하고, 가시광 영역의 광범위한 파장에 걸쳐 광촉매 반응의 양자효율성이 높아야 한다. 그러나 기존의 광촉매를 이용한 water splitting의 양자 효율은 일반적으로 10% 미만으로 낮아서 IQE(internal quantum efficiency) 100%를 달성하는 것은 대단히 어려운 과제였다.
100% IQE을 달성하기 위해서는 우선적으로 모든 photoexcited carrier들이 bulk recombination을 하기 전에 표면 반응 위치로 이동하여 반응에 참여해야 한다. 하지만 표면이 아닌 뒤쪽(반대방향)으로 전자 전달을 하는 경우가 많아서, 자외선 광촉매 반응에서도 50% EQE(external quantum efficiency)를 넘기지 못했었다. 그래서 고효율 water splitting을 위해서는 뒤쪽으로 전자전달을 억제시킬 수 있는 효과적인 광촉매 구조를 결정하는 것이 무엇보다 중요하다.
이 논문에서는 광촉매로 적합한 재료로써 SrTiO3:Al를 선택하였다. (SrTiO3는 3.2 eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있는 물질이며, EQE 또한 water splitting에서 최대 69%를 나타낸 바 있었다.) hydrogen evolution reaction (HER)을 위한 조촉매로 Rh은 HER을 일으키지만, 동시에 oxygen reduction reaction (ORR)도 촉진시킨다. Cr2O3를 Rh 표면에 covering을 하여 oxygen evolution reaction (OER)을 통해 발생한 산소가 Rh 표면에 접근하는 것을 차단시켜 부반응인 ORR을 효과적으로 억제시킨다. Co(iii)OOH는 OER을 촉진시키는 조촉매(cocatalyst) 역할을 한다. 따라서 이 조촉매들로 SrTiO3:Al 표면 위에 선택적으로 deposition을 하게 되면, 광촉매 입자 내부의 전하 정류 효과가 발생하여 OER과 HER의 활성이 좋아지게 된다. 결국, 이 논문에서는 Rh(0.1wt%), Cr2O3(0.05wt%), CoOOH(0.05%)를 three-step photodeposition 방법을 이용하여 SrTiO3:Al 결정면에 Xe lamp 조사 하에 선택적으로 deposition을 하여 광촉매의 overall water splitting 효율을 극대화시켰다.
written by S-H. Kim
(Original) T. Takata, K. Domen et al., Nature 2020, 581, 411-414 (DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9)
Title: Photocatalytic water splitting with a quantum efficiency of almost unity
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