피카츄
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : WO3/BiVO4 헤테로 접합 광전극에서의 금속 산화물 보호층 효과
영문 : Effects of metal oxide passivation layer on WO3/BiVO4 heterojunction photoanode
과제 팀명
피카츄
지도교수
000 교수님
개발기간
2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학부·과 2015XXX0** 지**(팀장)
서울시립대학교 화학공학부·과 2015XXX0** 성**
서울시립대학교 화학공학부·과 2016XXX0** 김**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 전 세계적으로 신에너지에 대한 관심이 증가하고 있으며, 따라서 태양광 에너지를 이용하여 물의 전기분해를 일으켜 수소를 생산하는 광전극에 대한 관심도 또한 증가하고 있다. ◇ FTO 유리 위에 WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조를 제작한 후 금속 산화물 보호층인 TiO2와 ZnO를 각각 접합시켜 광전극을 완성한다. ◇ 광전극의 전기화학적 성능 측정엔 Working, Counter, Reference 전극들을 이용한 3전극 시스템을 이용하며, potentiostat을 사용하여 각각의 광전극 성능을 평가한다. ◇ 광촉매 연구의 궁극적 목표 중 하나인 수소생산 양을 측정하기 위하여 가스크로마토그래피를 사용하며 이를 통해 산화물 보호층이 접합된 광전극이 그렇지 않은 전극보다 많은 양의 수소를 생산할 수 있는지 평가한다. ◇ UV-Vis를 사용하여 Absorbance, Reflectance, Transmittance 등 그리고 SEM을 이용하여 광학(optical) 특성을 확인하고 평가하며 XRD를 활용하여 광전극의 조성을 확인한다. ◇ 광전극의 성능 향상을 통하여 화석 에너지에 대한 의존도를 줄일 수 있게 기대할 수 있고 그로부터 장기적으로 환경오염을 막을 수 있다.
개발 과제의 배경
◇ 산업혁명 시대부터 지금까지 화석 에너지의 사용량은 계속해서 증가해왔으며 이로부터 인류는 많은 편리함과 산업 발전을 이룩하였다. 그러나 그로 인한 대기환경 오염이 지속적으로 심각한 문제로 대두되어 왔으며 이를 해결하기 위하여 화석 에너지에 대한 의존도를 줄일 수 있는 새로운 신에너지에 대한 관심도가 전 세계적으로 증가하고 있다.
◇ 광촉매(photocatalyst)란, 태양광 에너지를 화학에너지로 바꿀 수 있는 촉매를 의미한다. 그러므로 화석 에너지와 비교하여 지구 환경 파괴를 최소화 하면서 수소 에너지를 생산할 수 있다. 일반적으로 파우더 형태로 존재하는 광촉매를 다양한 방법으로 전극 형태로 개발할 수 있다.
◇ 이러한 전극 형태로 개발되는 광전극 물질로는 대표적으로 WO3와 BiVO4 같은 금속 산화물(metal oxide) 계열이 있으며 이들은 물리적, 화학적으로 안정하고 가격이 낮아서 미래에 신에너지로 사용할 물질로 다방면으로 연구가 진행되고 있다. 특히, WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조는 BiVO4가 WO3 위에 접함함으로써 WO3의 약한 가시광선 영역 흡수도와 BiVO4에서 태양광으로 인해 생겨난 전하들의 지속 시간(lifetime)이 낮은 문제를 해결할 수 있다. 하지만 이러한 구조 역시 여전히 시간이 지나면서 성능이 저하되는 광부식(photocorrosion) 문제를 지니고 있다. 그러므로 현재까지 WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조의 안정성을 높이기 위해 다른 물질을 도핑 또는 물질 구조의 dimension을 바꾸는 등 다양한 연구 결과가 보고되고 있다.
◇ WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조는 기존에 많은 연구가 진행되었으나 TiO2와 ZnO와 같은 metal oxide 계열의 보호층을 위에 입혀서 광전극의 성능이 얼마나 향상되는지에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 보호층을 입힘으로써 광전극 성능 향상을 목표로 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
본 연구는 WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조의 문제점을 해결하기 위하여 보호층(Passivation layer)을 사용한 후 광전극의 성능 향상을 목표로 하고 있으며 세부 목표는 다음과 같다.
◇ WO3/BiVO4/Passivation layer(TiO2 or ZnO) 헤테로 접합 구조를 가진 광전극이 문제 없이 효율적으로 제작될 수 있는 각 용액들과 열처리(annealing)의 실험 조건을 찾는다.
◇ 보호층의 역할을 할 수 있는 TiO2와 ZnO를 사용함으로써 가시광 영역에서의 광전극 활성 증대와 전자와 정공이 재결합하는 현상을 방지하여 WO3/BiVO4보다 높은 전류와 효율, 그리고 장시간 동안 광성능이 유지되는 내구성을 가질 수 있도록 한다. 이를 위해 potentiostat을 이용하여 전기화학적으로, 그리고 UV-Vis를 활용하여 광학(optical)적으로 성능을 평가한다. 대표적인 평가항목으로는 Linear sweep voltammetry, Chronoamperommetry(at constant potential), Impedance(Nyquist plot), Light Harvesting Efficiency, Electron Transfer Efficiency, Electron Separation Efficiency, UV-Vis(Absorbance, Reflectance, Transmittance) 등이 있으며 이들을 활용하여 다방면으로 광전극을 평가한다.
◇ 보호층의 두께가 두꺼워질수록 전기화학적으로 더 좋은 광전극 효율을 보이는지를 확인하기 위하여 다층(multilayer)의 보호층 구조를 가지는 광전극을 추가로 제작하여 성능을 평가한다.
◇ 궁극적으로 광전극은 화석 에너지를 대체하여 수소 생산을 꾀하기 위함이므로 보호층으로 인하여 수소 생산 양이 증가하는지 평가한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 기존에 긴 시간 동안 훌륭한 광성능을 보이지 못하는 WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조의 문제점을 TiO2와 ZnO와 같은 metal oxide 계열의 보호층을 위에 입힘으로써 광부식을 해결하여 향상된 내구성을 가진 광전극을 제작할 수 있을 것으로 기대한다.
◇ 위에서 언급한 보호층은 기존 전극의 밴드갭(band gap)에 대해서 적절한 band를 가지고 있어 electron transfer efficiency(전자 전달 효율)와 electron separation efficiency(전자 분리 효율)이 증가하여 가시광 영역에서의 광전극 성능 향상을 기대하며 또한 태양광으로 인해 분리된 전자와 정공이 재결합(recombination)하는 현상을 방지할 수 있을 것으로 예상한다.
◇ 보호층의 효과로 WO3/BiVO4 헤테로 접합 구조보다 더욱 긴 시간동안 광전극이 안정적으로 수소 생산을 할 수 있을 것으로 기대한다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 값이 상대적으로 저렴한 metal oxide 계열 물질을 태양광 에너지를 화학에너지로 변환할 수 있는 광촉매 물질로 사용함으로써 이산화탄소 발생을 최소화할 수 있으므로 지구 대기 오염을 줄이는 데에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 그러므로 환경적으로나 경제적으로나 다
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
a. 9월 ◇ 1주차 : 팀 전원은 연구 주제를 설정하고 연구 주제와 관련한 기존의 논문 및 연구를 분석하는 시간을 갖는다. ◇ 2주차 : 1주차에 이어 기존의 논문 및 연구를 분석하는 시간을 가진 후 한 학기 동안 진행할 실험의 세부적인 설계를 진행하여 정리한다. ◇ 3주차 : 팀 전원은 2주차에 논의한 실험 세부 설계 내용에 따라서 광전극을 제작한다. 그리고 제작한 광전극의 전류의 세기를 측정한 후 목표치에 도달하였는지 확인한다. 이 실험 결과에 대하여 서로 피드백을 주고 받은 후 더 나은 결과를 얻기 위한 개선된 연구 설계를 진행한다. ◇ 4주차 : 3주차와 마찬가지로 개선된 연구 결과를 얻기 위하여 팀 전원은 연구 활동을 이어간다.
b. 10월 ◇ 1주차 : 팀 전원은 광전극을 제작한 후 임피던스를 측정하여 각각의 전극이 가지는 저항을 비교한 후 평가한다. 한 주 동안 실험 결과에 대해서 피드백하고 설계를 개선하여 목표한 결과를 얻을 수 있도록 한다. ◇ 2주차 : 1주차와 마찬가지로 진행한다. 그리고 난 후 결과를 정리한다. ◇ 3주차 : 팀 전원은 광전극을 제작하고 전극이 가지는 효율(Electron transfer efficiency)을 측정하고 계산한다. 그리고 결과를 취합하여 평가한다. ◇ 4주차 : 그동안 얻은 데이터를 팀 전원이 모여 분석하고 평가하여 정리한다. 그리고 난 후 중간 발표에 대비하여 발표 연습을 진행한다.
c. 11월 ◇ 1주차 : 팀 전원은 광전극을 제작한 후 광학적 특성 분석 (SEM, XRD)을 외부 기관에 의뢰할 수 있도록 한다. 그리고 UV-Vis를 활용하여 Absorbance, Reflectance, Transmittance를 측정한다. 그 후 결과에 대하여 서로 피드백한 후 더 나은 결과를 얻을 수 있도록 연구 설계를 개선한다. ◇ 2주차 : 1주차와 마찬가지로 진행한다. 그리고 난 후 얻은 결과를 정리한다. ◇ 3주차 : 팀 전원은 광전극을 제작하고 1, 2주차에 진행한 광학적 특성의 수치적 데이터를 이용하여 각각의 전극이 가지는 효율(Electron separation efficiency)을 측정하고 계산한다. 그리고 결과를 취합하여 평가한다. 그 후 더 나은 결과를 얻어 목표치에 도달하기 위하여 피드백 진행 후 연구 방법을 개선해본다. ◇ 4주차 : 3주차와 마찬가지로 진행한다. 그리고 난 후 얻은 결과를 정리한다.
d. 12월 ◇ 1주차 : 팀 전원은 광전극을 제작한 후 각각의 전극에 대해서 안정성 평가를 진행한다. 결과가 목표치에 도달하였는지 확인하고 이를 위해서 연구를 어떻게 개선할지 의견을 나눌 수 있도록 한다. ◇ 2주차 : 1주차와 마찬가지로 안정성 평가를 진행한 후 결과를 정리한다. 동시에 제작한 광전극으로 각각의 전극이 생산할 수 있는 수소의 양을 가스크로마토그래피로 측정한다. 이 또한 결과를 서로 비교하여 목표를 달성하였는지 평가하고 더 나은 결과를 얻기 위해 피드백을 진행한다. ◇ 3주차 : 팀 전원은 2주차에서 진행하던 수소생산 실험을 이어나간다. 모든 데이터를 취합하고 정리한 후 분석한다. 각각의 데이터가 의미하는 바를 정확히 이해한 후 기말 포스터 및 최종 발표를 준비한다. ◇ 4주차 : 3주차에 이어서 기말 포스터 및 최종 발표를 준비한다.
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
