[논문 리뷰] Nanostructures Design: the Role of Cocatalysts for Hydrogen and Oxygen Generation in Photocatalytic Water Splitting

Zhexu Xi|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 14.

Advanced Photocatalysis Techniques참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 태양광 분해를 통한 수소 및 산소 발생을 향상시키기 위해 코캐탈리스트를 갖춘 나노구조 광촉매의 설계를 검토한다. 코캐탈리스트가 빛 흡수, 전하 분離 및 표면 반응 동역학을 향상시키는 방식을 설명하며, 수소 발생, 산소 발생 및 이중 코캐탈리스트의 구체적인 역할을 규명하여 효율적이고 확장 가능한 광촉매 시스템을 위한 길잡이를 제시한다.

ABSTRACT

Due to the energy supply pressure caused by non-renewable fuels as well as the environment-related issues, the efficient conversion of solar-chemical energy via photo-induced water splitting is one of the promising strategies to address the existing problems. To strengthen the overall catalytic performance of photocatalytic hydrogen (H2) and oxygen (O2) evolution, the selection and construction of cocatalysts are crucial. Recently, the semiconductor photocatalysts have been well modified with the loaded cocatalysts as the active sites by extending the light harvest, promoting the electron separation and transfer, and improving the photocatalytic activity. Combined with the principles of photocatalysis, the paper focuses on the mechanism and roles of cocatalysts for boosted photocatalytic water splitting in recent research. The categories with the corresponding research contents of the existing cocatalysts are also summarised, including cocatalysts for H2 evolution, cocatalysts for O2 evolution, and dual cocatalysts for overall water splitting. Finally, the future direction of the development is suggested for the rational design and large-scale application of highly efficient cocatalysts in the photo-induced water splitting system.

연구 동기 및 목표

• 지속 가능하고 재생 가능한 에너지를 확보하기 위한 급박한 필요성을 충족시키기 위해 태양광을 이용한 수분해를 통해 청정 수소와 산소를 생산하는 데 기여한다.
• 반도체 광촉매에서 낮은 양자 효율성과 열악한 전하 분리 문제를 극복한다.
• 광촉매 시스템에서 수소 및 산소 발생 반응을 향상시키는 데 있어 코캐탈리스트의 역할을 체계적으로 분석한다.
• 전체 수분해를 위한 코캐탈리스트 유형, 메커니즘 및 설계 원칙에 대한 종합적인 리뷰를 제공한다.
• 실용적 응용을 위한 이성적인 대규모 설계로 향후 개발을 이끌어낸다.

제안 방법

• 코캐탈리스트를 도핑한 나노구조 광촉매의 최근 발전을 검토하여 광촉매 활성을 향상시킨다.
• 코캐탈리스트를 세 가지 유형으로 분류한다: 수소 발생 코캐탈리스트, 산소 발생 코캐탈리스트, 전체 수분해를 위한 이중 코캐탈리스트.
• 코캐탈리스트가 빛 흡수를 향상시키고 전자-정공 분리를 촉진하며 표면 산화환원 반응을 가속화하는 메커니즘을 분석한다.
• 과전압을 낮추고 전하 운반체를 안정화시키는 데 기여하는 코캐탈리스트 재료(예: 귀금속, 전이금속 산화물, 황화물)의 역할을 검토한다.
• 광촉매 원리와 나노구조 공학을 융합하여 성능 향상 메커니즘을 설명한다.
• 합성 및 메커니즘에 초점을 맞춘 접근 방식을 통해 다양한 반도체 시스템에서 코캐탈리스트 통합 전략을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코캐탈리스트는 광촉매 수분해에서 수소 발생 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 코캐탈리스트는 산소 발생 반응을 촉진하는 데 있어 특정 역할과 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이중 코캐탈리스트 시스템은 전하 분리 성능을 향상시키고 재결합을 감소시켜 전체 수분해를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 나노구조 광촉매에 통합되는 코캐탈리스트의 선택과 설계에 영향을 미치는 주요 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ5 태양 연료 생성을 위한 대규모, 고성능 코캐탈리스트 시스템의 주요 과제와 향후 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 코캐탈리스트는 재결합 손실을 줄이며 전하 분리 및 이동을 크게 향상시켜 광촉매 시스템의 성능을 향상시킨다.
• Pt 및 Pd와 같은 귀금속 코캐탈리스트는 낮은 과전압과 뛰어난 촉매 활성도로 인해 수소 발생에 매우 효과적이다.
• CoO, CoPi 등 전이금속 산화물은 높은 산화 상태를 안정화시키고 4전자 수분해 산화 과정을 촉진하여 효율적인 산소 발생 코캐탈리스트로 기능한다.
• Pt를 수소 발생용, CoO를 산소 발생용으로 사용하는 이중 코캐탈리스트 시스템은 산화 및 환원 반응 부위를 공간적으로 분리함으로써 효율적인 전체 수분해를 가능하게 한다.
• 코캐탈리스트의 나노구조화는 표면적을 증가시키고 인터페이스 접촉을 향상시켜 반응 동역학과 안정성을 향상시킨다.
• 전자 구조 및 표면 에너지 고려 사항을 바탕으로 한 이성적인 코캐탈리스트 설계는 광촉매 수분해에서 높은 양자 효율을 달성하는 데 핵심적이다.