[논문 리뷰] Preparation and Characterization of Metal-free graphitic Carbon Nitride Film Photocathodes for Light-induced Hydrogen Evolution

Florent Yang, Michael Lublow외 9명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 15.

Advanced Photocatalysis Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 관성 기체 분雰 분해 조건에서 디사이아아미드의 열적 조건화를 통해 반도체 기질 위에 금속이 없는 그래피티크 탄소 질화물(g-C3N4) 박막을 성공적으로 제조함으로써 나노결정립의 고도로 다공성인 네트워크를 확보하였다. 광전기화학적 시험 결과, 수소 이온 농도가 다양한 범위에 걸쳐 효율적인 빛 유도 수소 발생이 가능함을 확인하여 g-C3N4가 태양수소 생산을 위한 실현 가능한 금속이 없는 광음극 재료로 가능성을 보였다.

ABSTRACT

Very recently, it has been shown that an abundant material, polymeric carbon nitride, can produce hydrogen from water under visible-light irradiation in the presence of a sacrificial donor [1]. We will present here the preparation and characterization of graphitic carbon nitride (g-C3N4) films on semiconducting substrates by thermal condensation of dicyandiamide precursor under inert gas conditions. Structural and surface morphological studies of the carbon nitride films suggest a high porosity of g-C3N4 thin film consisting of a network of nanocrystallites. Photo-electrochemical investigations show upon cathodic polarization light-induced hydrogen evolution for a wide range of proton concentrations in the aqueous electrolyte. Additionally, Synchrotron radiation based photoelectron spectroscopy has been applied to study the surface/near-surface chemical composition of the utilized g-C3N4 film photocathodes. For the first time it is shown that g-C3N4 films can be successfully applied as photoelectrochemical material for light induced hydrogen evolution. [1]X. Wang, K. Maeda, A. Thomas, K. Takanabe, G. Xin, J. M. Carlsson, K. Domen, M. Antonietti, Nature Mat. 2009, 8, 76-80.

연구 동기 및 목표

• 가시광선을 이용한 지속 가능한 수소 생산을 위한 저비용, 금속이 없는 광음극 재료 개발.
• 희토류 금속 촉매의 한계를 극복하기 위해 풍부한 탄소 질화물 재료를 활용하여 광전기화학적 수분해에서의 응용을 모색.
• 전하 분離 및 표면 반응성 향상을 위한 최적화된 미세구조와 전자 구조를 갖춘 g-C3N4 박막 설계.
• 수용성 전해질 내 수소 이온 농도 변화에 따른 g-C3N4 박막의 광전기화학적 성능 검증.
• 동기광 기반 광전자 분광법을 활용한 표면 화학 조성 특성 분석을 통해 표면 상태와 촉매 활성 간의 상관관계 규명.

제안 방법

• 관성 기체 분雰 하에서 반도체 기질에 디사이아아미드 전구체를 열적 조건화하여 g-C3N4 박막 형성.
• X선 회절 및 전자현미경 기법을 활용한 구조적 및 미세구조적 특성 분석을 통해 나노결정립 네트워크 형성 확인.
• 음극 극성 조건 하에서 광전기화학적 측정을 수행하여 다양한 수소 이온 농도에서 수소 발생 속도 평가.
• 동기광 기반 광전자 분광법(SR-PES)을 활용해 g-C3N4 박막의 표면 및 근표면 화학 조성 분석.
• 가시광선 조도 하에서 수소 발생을 가능하게 하기 위해 희생성 전자 기증체 사용.
• 전해질 pH를 체계적으로 변화시켜 수소 이온 농도가 광음극 성능에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 g-C3N4 박막은 반도체 기질에 효과적으로 합성되어 수소 발생을 위한 광전극으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 g-C3N4의 다공성 나노결정립 구조는 그 광전기화학적 활성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전해질 내 수소 이온 농도는 수소 발생 속도에 어떤 의존성을 가지는가?
• RQ4 g-C3N4의 표면 화학 상태, 특히 질소 및 탄소 종류는 그 광촉매 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 g-C3N4는 가시광선 조건 하에서 안정적이고 효율적인 금속이 없는 광음극으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 디사이아아미드의 관성 기체 분위기 하에서의 열적 조건화를 통해 g-C3N4 박막이 고도로 다공성인 나노결정립 네트워크로 성공적으로 합성되었다.
• 광전기화학적 측정 결과, 수용성 전해질 내 다양한 수소 이온 농도 범위에서 빛 유도 수소 발생이 확인되었다.
• 동기광 기반 광전자 분광법(SR-PES) 분석을 통해 그래피티크 탄소 질화물에 해당하는 표면 화학 상태가 확인되어 광촉매에 적합한 전자 구조를 지닌 것으로 뒷받침되었다.
• 희토류 금속 촉매 없이도 효율적인 수소 생산이 가능함을 입증하여 저비용 대체재로서의 잠재력을 보였다.
• g-C3N4 박막의 다공성 구조와 높은 표면적은 물질 이동성 향상 및 활성 부위 노출 증가로 이어져 성능 향상에 기여한 것으로 사료된다.
• 본 연구는 g-C3N4 박막을 가시광선 조건 하에서 광전기화학적 광음극으로서 수소 발생에 성공적으로 적용한 최초의 사례를 제시한다.