KR102278568B1 - Photoelectrochemical cell producing h2o2 at anode and cathode simultaneously and method of fabricating same - Google Patents
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Abstract
도판트가 도핑된 포토어노드 및 안트라퀴논이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀, 그의 제조방법 및 그를 이용한 과산화수소 동시 생산방법이 개시된다. 상기 광전기화학 셀은 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 포토어노드(photoanode); 및 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함함으로써 상기 포토어노드 및 상기 캐소드의 반응 시 과산화수소로의 전환 선택성을 높이고. 외부 전압이 가해지지 않은 조건에서도 과산화수소를 동시에 생산할 수 있다.
[구조식 1]
Disclosed are a photoelectrochemical cell including a photoanode doped with a dopant and a cathode including an anthraquinone-supported carbon material, a method for manufacturing the same, and a method for simultaneously producing hydrogen peroxide using the same. The photoelectrochemical cell may include: a photoanode including dopant-doped bismuth vanadate (BiVO 4 ); and a cathode including a carbon material and a compound represented by Structural Formula 1 supported on the carbon material; thereby increasing the conversion selectivity to hydrogen peroxide during the reaction of the photoanode and the cathode. Hydrogen peroxide can be produced at the same time even when no external voltage is applied.
[Structural Formula 1]
Description
본 발명은 태양광 전환 에너지 생산을 위한 전극 소재 및 시스템 개발에 관한 것으로 상세하게는, 도판트가 도핑된 포토어노드 및 안트라퀴논이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀, 그의 제조방법 및 그를 이용한 과산화수소 동시 생산방법에 관한 것이다. The present invention relates to the development of an electrode material and system for solar conversion energy production, and more particularly, a photoelectrochemical cell including a dopant-doped photoanode and a cathode including an anthraquinone-supported carbon material, and the It relates to a manufacturing method and a method for simultaneous production of hydrogen peroxide using the same.
과산화수소는 무탄소 에너지원이자 환경친화적인 산화제로써 화학 및 환경공정에서 광범위하게 적용되고 있다. 기존의 과산화수소 산업 공정은 수소가스, 유해한 유기용매 및 귀금속 촉매를 필요로 하는 공정으로 생산단가가 높고 환경오염을 유발한다. 광전기화학적 공법을 이용한 과산화수소의 생성은 외부에너지로 태양광, 산소 및 물 만을 사용하는 친환경적이고 생산단가가 낮은 생산법이다.Hydrogen peroxide is widely applied in chemical and environmental processes as a carbon-free energy source and an environmentally friendly oxidizing agent. The existing hydrogen peroxide industrial process is a process that requires hydrogen gas, harmful organic solvents, and precious metal catalysts, which has a high production cost and causes environmental pollution. The generation of hydrogen peroxide using the photoelectrochemical method is an eco-friendly and low-cost production method that uses only sunlight, oxygen and water as external energy.
과산화수소 생산은 물의 산화 또는 산소의 환원 반응을 통해 얻을 수 있다. 이 과정에서 두 반응은 모두 선택적인 2전자 반응을 통해 이루어진다. 그러나 산화 반응은 과산화수소로의 전환 이외에 수산기 라디칼 및 산소 발생 반응과 경쟁을 이루고 있다. 또한 환원 반응에서는 산소의 환원 이외에 물 환원으로 인한 수소생성 반응과 경쟁을 이루고 있다. 따라서 과산화수소를 효과적으로 생산하기 위해서는 두 반응 모두 선택적으로 과산화수소를 전환하는 반응을 촉진하는 촉매의 개발이 요구된다.Hydrogen peroxide production can be achieved through the oxidation of water or the reduction of oxygen. In this process, both reactions take place through a selective two-electron reaction. However, oxidation reactions compete with hydroxyl radicals and oxygen evolution reactions other than conversion to hydrogen peroxide. In addition, in the reduction reaction, in addition to the reduction of oxygen, it competes with the hydrogen production reaction due to the reduction of water. Therefore, in order to effectively produce hydrogen peroxide, it is required to develop a catalyst that promotes a reaction for selectively converting hydrogen peroxide in both reactions.
광전기화학적 공법은 적절한 두 전극 물질을 이용하여 산화 및 환원 반응을 동시에 유도할 수 있는 공법이다. 비스무트 바나데이트는 우수한 물 산화를 통한 과산화수소로의 전환 선택성 때문에 광전기화학적 공법의 광전극으로 사용되고 있다. 그러나 보다 실용적인 비스무트 바나데이트 기반의 광전기화학적 과산화수소 생산 공법을 이루기 위해서는 높은 수준의 생산 효율이 확보되어야 하며, 탄산수소염 상에서 장시간 구동 시 용해가 되지 않도록 안정성을 개선하여야 한다. 또한 비스무트 바나데이트의 낮은 과산화수소 전환 선택성과 표면에서 생성된 과산화수소의 분해 반응 및 반응 중에 용해되는 문제로 인해 장기 구동을 위한 안정성이 미약한 문제점이 있다. The photoelectrochemical method is a method capable of simultaneously inducing oxidation and reduction reactions using appropriate two electrode materials. Bismuth vanadate is used as a photoelectrode for photoelectrochemical processes because of its excellent selectivity for conversion to hydrogen peroxide through water oxidation. However, in order to achieve a more practical bismuth vanadate-based photoelectrochemical hydrogen peroxide production method, a high level of production efficiency must be secured, and stability must be improved to prevent dissolution during long-term operation on hydrogen carbonate. In addition, there is a problem in that stability for long-term operation is weak due to the low hydrogen peroxide conversion selectivity of bismuth vanadate and the problem of dissolution during the decomposition reaction and reaction of hydrogen peroxide generated on the surface.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 산화 반응과 더불어 환원 반응에서도 산소환원을 통한 과산화수소 생산을 위해 전기화학적 특성의 향상 및 향상된 과산화수소 전환 선택성을 바탕으로 장기 안정성을 갖춘 비스무트 바나데이트 광전극을 이용한 광전기화학 셀 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, and a bismuth vanadate photoelectrode with long-term stability based on improved electrochemical properties and improved hydrogen peroxide conversion selectivity for the production of hydrogen peroxide through oxygen reduction in reduction reactions as well as oxidation reactions. To provide a photoelectrochemical cell and a method for manufacturing the same using
또한, 상기 비스무트 바나데이트 광전극과 반대 전극에서 산소환원 반응을 기반으로 한 과산화수소의 동시생산 시스템을 개발하여 광전기화학적 공법의 효율을 극대화한 광전기화학 셀, 그의 제조방법 및 그를 이용한 과산화수소 동시 생산방법을 제공하는데 있다.In addition, a photoelectrochemical cell maximizing the efficiency of the photoelectrochemical method by developing a system for simultaneous production of hydrogen peroxide based on an oxygen reduction reaction in the bismuth vanadate photoelectrode and the opposite electrode, a method for manufacturing the same, and a method for simultaneously producing hydrogen peroxide using the same is to provide
본 발명의 일 측면에 따르면, 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 포토어노드(photoanode); 및 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함하는 것인 광전기화학 셀(photoelectrochemical (PEC) cell)이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a dopant-doped bismuth vanadate (BiVO 4 ) including a photoanode (photoanode); and a cathode including a carbon material and a compound represented by
[구조식 1][Structural Formula 1]
상기 구조식 1에서,In
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
또한, 상기 포토어노드는 인산염(phosphate)으로 표면 처리될 수 있다.In addition, the photoanode may be surface-treated with phosphate.
또한, 상기 비스무트 바나데이트를 인산염(phosphate)으로 표면 처리함에 의해 상기 포토어노드가 인(P)을 상기 비스무트 바나데이트 상에 형성시킬 수 있다.In addition, by surface-treating the bismuth vanadate with phosphate, the photoanode may form phosphorus (P) on the bismuth vanadate.
또한, 상기 도판트가 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the dopant may include at least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), and chromium (Cr).
또한, 상기 탄소재료가 단중벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF), 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO) 및 카본블랙(Carbon black)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the carbon material is a single-walled carbon nanotube (SWCNT), a double-walled carbon nanotube (double-walled carbon nanotube, DWCNT), a multi-walled carbon nanotube (Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), It may include at least one selected from the group consisting of carbon nanofiber (CNF), graphene oxide (GO), and carbon black.
또한, 상기 비스무트 바나데이트(BV)에 대한 상기 도판트(D)의 몰 비율(D/BV, mol/mol)이 1 내지 20일 수 있다.In addition, a molar ratio (D/BV, mol/mol) of the dopant (D) to the bismuth vanadate (BV) may be 1 to 20.
또한, 상기 포토어노드가 기재를 추가로 포함하고, 상기 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트가 상기 기재 상에 형성될 수 있다.In addition, the photoanode may further include a substrate, and bismuth vanadate doped with the dopant may be formed on the substrate.
또한, 상기 캐소드가 카본페이퍼를 추가로 포함하고, 상기 탄소재료 및 구조식 1로 표시되는 화합물이 상기 카본페이퍼 상에 형성될 수 있다.In addition, the cathode may further include carbon paper, and the carbon material and the compound represented by Structural Formula 1 may be formed on the carbon paper.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 포함하는 포토어노드를 제조하는 단계; (b) 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 포토어노드, 분리막 및 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀을 제조하는 단계;를 포함하는 광전기화학 셀의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) manufacturing a photoanode comprising bismuth vanadate doped with a dopant; (b) preparing a cathode including a carbon material and a compound represented by
[구조식 1][Structural Formula 1]
상기 구조식 1에서,In
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
또한, 상기 단계 (a)가 (a-1) 비스무트 전구체, 바나듐 전구체 및 도판트 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (a-2) 상기 전구체 용액을 건조하고 열처리하여 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the step (a) comprises the steps of (a-1) preparing a precursor solution including a bismuth precursor, a vanadium precursor, and a dopant precursor; and (a-2) drying and heat treating the precursor solution to prepare dopant-doped bismuth vanadate.
또한, 상기 단계 (a-2)의 열처리가 300 내지 800℃에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of step (a-2) may be performed at 300 to 800 ℃.
또한, 상기 광전기화학 전기의 제조방법이 상기 단계 (a-2) 이후에 (a-2') 인산염을 포함하는 용액으로 상기 포토어노드를 표면 처리하고 건조하고 열처리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.In addition, the method for producing photoelectrochemical electricity may further include (a-2') surface-treating the photoanode with a solution containing phosphate, drying, and heat treatment after step (a-2). can
또한, 상기 단계 (a-2')의 열처리가 100 내지 500℃에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of step (a-2') may be performed at 100 to 500 ℃.
또한, 상기 비스무트 전구체가 Bi(NO3)3·5H2O, BiCl3, BiClO5·xH2O 및 BiF3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 바나듐 전구체가 OV(C5H7O2)2, OV(OCH(CH3)2)3, OV(OC3H7)3 및 VOCl3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the bismuth precursor includes at least one selected from the group consisting of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O, BiCl 3 , BiClO 5 ·xH 2 O and BiF 3 , and the vanadium precursor is OV(C 5 H 7 O 2 ) 2 , OV(OCH(CH 3 ) 2 ) 3 , OV(OC 3 H 7 ) 3 and VOCl 3 may include one or more selected from the group consisting of.
또한, 상기 도판트 전구체가 몰리브데늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 크롬 전구체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the dopant precursor may include at least one selected from the group consisting of a molybdenum precursor, a tungsten precursor, and a chromium precursor.
또한, 상기 단계 (b)가 (b-1) 구조식 1로 표시되는 화합물 및 탄소재료를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (b-2) 상기 혼합용액을 건조하고 열처리하여 구조식 1로 표시되는 화합물이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the step (b) is (b-1) preparing a mixed solution by mixing the compound represented by
또한, 상기 단계 (b-2)의 열처리가 50 내지 100℃에서 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment of step (b-2) may be performed at 50 to 100 ℃.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (1) 상기 광전기화학 셀을 제공하는 단계; 및 (2) 광 조사 하에서 상기 포토어노드가 물을 산화하여 과산화수소(H2O2)를 제조하고, 상기 캐소드가 산소를 환원시켜 과산화수소를 제조하는 단계;를 포함하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (1) providing the photoelectrochemical cell; And (2) the photoanode oxidizes water under light irradiation to produce hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the cathode reduces oxygen to produce hydrogen peroxide; a method for producing hydrogen peroxide is provided.
또한, 상기 산화와 환원이 동시에 수행될 수 있다.In addition, the oxidation and reduction may be performed simultaneously.
또한, 상기 광전기화학 셀이 태양에너지로부터 생성한 전기에너지로 과산화수소를 제조할 수 있다.In addition, the photoelectrochemical cell may produce hydrogen peroxide with electrical energy generated from solar energy.
본 발명의 광전기화학 셀은 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 포토어노드(photoanode)를 포함함으로써 물 산화 반응을 통한 과산화수소로의 전환 선택성이 우수하고, 추가로 상기 포토어노드를 인산염(phosphate)으로 표면 처리함으로써 안정성이 향상되어 궁극적으로 광전기화학적 공정을 통한 과산화수소의 생산이 탁월한 효과가 있다.The photoelectrochemical cell of the present invention includes a photoanode containing bismuth vanadate (BiVO 4 ) doped with a dopant, and thus has excellent conversion selectivity to hydrogen peroxide through water oxidation, and further By surface-treating the node with phosphate, the stability is improved, and ultimately, the production of hydrogen peroxide through a photoelectrochemical process has an excellent effect.
또한, 본 발명의 광전기화학 셀은 안트라퀴논 유도체가 결합된 캐소드(cathode)를 포함함으로써 캐소드에서 경쟁 반응인 물 분해를 통한 수소생성을 완전히 억제하고 넓은 전압 범위에서 과산화수소를 생성할 수 있다.In addition, the photoelectrochemical cell of the present invention includes a cathode to which an anthraquinone derivative is bonded, thereby completely suppressing hydrogen production through water decomposition, a competitive reaction at the cathode, and generating hydrogen peroxide in a wide voltage range.
또한, 본 발명의 광전기화학 셀은 포토어노드와 캐소드의 결합을 통해 외부 전압이 가해지지 않은 조건에서도 과산화수소를 동시에 생산할 수 있다.In addition, the photoelectrochemical cell of the present invention can simultaneously produce hydrogen peroxide even under a condition in which no external voltage is applied through the combination of the photoanode and the cathode.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 광전기화학 셀의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2a는 실시예 1에 따라 제조된 포토어노드의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2b는 실시예 1 내지 3, 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2c는 실시예 1 내지 3, 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드에 대한 O 1s의 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2d는 안트라퀴논-탄소나노튜브(AQ-CNT), 탄소나노튜브(CNT) 및 안트라퀴논(Pure AQ) 샘플의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3a는 실시예 1, 5, 6 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 광전기화학적 특성 및 전압별 과산화수소 생산효율을 나타낸 것이다.
도 3b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 광전기화학적 특성 및 전압별 과산화수소 생산효율을 나타낸 것이다.
도 3c는 1kHz의 고정 주파수에서 측정된 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 Mott-Schottky(M-S) 그래프를 나타낸 것이다.
도 3d는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 Nyquist plots을 나타낸 것이다.
도 4a는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 시간에 따른 과산화수소 분해량을 나타낸 것이다.
도 4b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드를 시간에 따른 과산화수소 분해량 측정 중의 광전류 흐름 및 생성된 전하량을 나타낸 것이다.
도 4c는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 시간에 따른 과산화수소 분해량을 생성된 전하량으로 나눈 값을 나타낸 것이다.
도 5a는 실시예 7, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 캐소드의 Cyclic voltammograms(CVs)를 나타낸 것이다.
도 5b는 실시예 7, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 캐소드의 Nyquist plots을 나타낸 것이다.
도 5c는 안트라퀴논-탄소나노튜브(AQ-CNT) 및 탄소나노튜브(CNT) 파우더의 Koutecky-Levich plots을 나타낸 것이다.
도 6a는 소자실시예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 광전기화학적 특성 및 전압별 과산화수소 또는 산소 발생 효율을 나타낸 것이다.
도 6b는 소자실시예 1과 소자비교예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 전압별 과산화수소 또는 수소의 생산량 및 효율을 나타낸 것이다.
도 7a는 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 광전기화학 셀의 광전기화학적 특성 및 전압별 과산화수소 생산효율을 나타낸 것이다.
도 7b는 소자실시예 1, 2 및 소자비교예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 시간에 따른 광전류 생성량 및 과산화수소 생성량을 나타낸 것이다.
도 7c는 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 광전기화학 셀의 100시간 동안 광전기화학적 특성을 나타낸 것이다.
도 7d는 소자실시예 1에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 후 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7e는 소자실시예 1 및 2에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 전 후의 Bi 4f 및 V 2p XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7f는 소자실시예 1 및 2에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 전 후의 P 2p 및 Sn 3d XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8a는 실시예 1, 6, 7, 비교예 2 및 3의 광전기화학 특성을 나타낸 것이다.
도 8b는 외부 인가 전압이 없는 조건에서 소자실시예 1, 2, 소자비교예 1 및 2의 광전기화학 특성을 나타낸 것이다.
도 8c는 외부 인가 전압이 없는 조건에서 소자실시예 1 및 2의 시간에 따른 광전류 생성량 및 과산화수소 생성량을 나타낸 것이다.These drawings are for reference in describing an exemplary embodiment of the present invention, and the technical spirit of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 shows a schematic diagram of a photoelectrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2a shows an SEM photograph of the photoanode manufactured according to Example 1. FIG.
FIG. 2b shows XRD patterns of photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
FIG. 2c shows XPS spectra of O 1s for the photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
Figure 2d shows the FTIR spectra of anthraquinone-carbon nanotube (AQ-CNT), carbon nanotube (CNT) and anthraquinone (Pure AQ) samples.
3A shows the photoelectrochemical characteristics of the photoanodes prepared according to Examples 1, 5, 6 and Comparative Example 1 and hydrogen peroxide production efficiency according to voltage.
3B shows the photoelectrochemical characteristics and the hydrogen peroxide production efficiency for each voltage of the photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
FIG. 3c shows a Mott-Schottky (MS) graph of the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 measured at a fixed frequency of 1 kHz.
3D shows Nyquist plots of the photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
4A shows the amount of hydrogen peroxide decomposition according to time of the photoanode prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
4B shows the photocurrent flow and the amount of generated electric charge during the measurement of the amount of hydrogen peroxide decomposition with time in the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
FIG. 4c shows a value obtained by dividing the amount of hydrogen peroxide decomposition with time of the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 by the amount of generated electric charge.
5a shows cyclic voltammograms (CVs) of cathodes prepared according to Example 7, Comparative Example 2 and Comparative Example 3. FIG.
5B shows Nyquist plots of cathodes prepared according to Example 7, Comparative Example 2, and Comparative Example 3. FIG.
Figure 5c shows Koutecky-Levich plots of anthraquinone-carbon nanotube (AQ-CNT) and carbon nanotube (CNT) powder.
6A shows the photoelectrochemical characteristics and the hydrogen peroxide or oxygen generation efficiency for each voltage of the photoelectrochemical cell manufactured according to Device Example 1. FIG.
6B shows the production and efficiency of hydrogen peroxide or hydrogen for each voltage of the photoelectrochemical cell manufactured according to Device Example 1 and Device Comparative Example 1. FIG.
7A shows the photoelectrochemical characteristics of the photoelectrochemical cells prepared according to Device Examples 1 and 2 and the hydrogen peroxide production efficiency for each voltage.
7B shows the amount of photocurrent generation and the amount of hydrogen peroxide generated according to time of the photoelectrochemical cells prepared according to Device Examples 1 and 2 and Device Comparative Example 1. FIG.
7c shows the photoelectrochemical properties of the photoelectrochemical cells prepared according to Device Examples 1 and 2 for 100 hours.
7D shows a surface SEM image of the photoanode used in Device Example 1 after 100 hours of reaction.
7e shows Bi 4f and V 2p XPS spectra before and after 100 hours of reaction of the photoanodes used in Device Examples 1 and 2;
7f shows P 2p and Sn 3d XPS spectra before and after 100 hours of reaction of the photoanode used in Device Examples 1 and 2;
8A shows the photoelectrochemical properties of Examples 1, 6, 7, and Comparative Examples 2 and 3;
8B shows the photoelectrochemical characteristics of Device Examples 1 and 2 and Device Comparative Examples 1 and 2 in the absence of an externally applied voltage.
8C shows the amount of photocurrent generated and the amount of hydrogen peroxide generated according to time in Device Examples 1 and 2 in the absence of an externally applied voltage.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily carry out the present invention.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention in describing the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, element, or combination thereof described in the specification exists, but is one or more other features or It should be understood that the existence or addition of numbers, steps, acts, elements, or combinations thereof, is not precluded in advance.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms including an ordinal number such as first, second, etc. to be used below may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when it is said that a component is "formed" or "stacked" on another component, it may be formed or laminated directly attached to the front surface or one surface on the surface of the other component. It should be understood that other components may be present in the .
이하, 본 발명의 도판트가 도핑된 포토어노드 및 안트라퀴논이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀, 그의 제조방법 및 그를 이용한 과산화수소 동시 생산방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a photoelectrochemical cell including a dopant-doped photoanode and a cathode including an anthraquinone-supported carbon material of the present invention, a method for manufacturing the same, and a method for simultaneous production of hydrogen peroxide using the same will be described in detail. However, this is provided as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 광전기화학 셀의 모식도를 나타낸 것이다.1 shows a schematic diagram of a photoelectrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명은 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트(BiVO4)를 포함하는 포토어노드(photoanode); 및 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함하는 것인 광전기화학 셀(photoelectrochemical (PEC) cell)을 제공한다.Referring to Figure 1, the present invention is a dopant-doped bismuth vanadate (BiVO 4 ) A photoanode (photoanode) containing; and a cathode including a carbon material and a compound represented by
[구조식 1][Structural Formula 1]
상기 구조식 1에서,In
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
상기 캐소드에서 상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 탄소재료 상에 고정(anchoring)된 것이고, 이때 상기 구조식 1에서 R이 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기의 형태를 유지할 수 있다.In the cathode, the compound represented by
또한, 상기 포토어노드는 인산염(phosphate)으로 표면 처리될 수 있다.In addition, the photoanode may be surface-treated with phosphate.
또한, 상기 비스무트 바나데이트를 인산염(phosphate)으로 표면 처리함에 의해 상기 포토어노드가 인(P)을 상기 비스무트 바나데이트 상에 형성시킬 수 있다.In addition, by surface-treating the bismuth vanadate with phosphate, the photoanode may form phosphorus (P) on the bismuth vanadate.
인산염으로 상기 포토어노드를 표면 처리하여 인(P)이 상기 비스무트 바나데이트 상에 형성됨에 따라 포토어노드의 안정성, 광전류 생성 및 과산화수소의 전환 선택성이 향상된다. 또한, 반응 시간이 길어져도 포토어노드에서 안정적으로 광전류를 생성하고, 높은 과산화수소 생성량을 갖는 효과가 있다.As phosphorus (P) is formed on the bismuth vanadate by surface treatment of the photoanode with phosphate, the photoanode stability, photocurrent generation, and hydrogen peroxide conversion selectivity are improved. In addition, even if the reaction time is long, the photoanode stably generates a photocurrent and has the effect of having a high hydrogen peroxide production amount.
또한, 상기 도판트가 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 몰리브데늄을 포함할 수 있다.In addition, the dopant may include at least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), and chromium (Cr), preferably molybdenum.
또한, 상기 탄소재료가 단중벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF), 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO) 및 카본블랙(Carbon black)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 단중벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.In addition, the carbon material is a single-walled carbon nanotube (SWCNT), a double-walled carbon nanotube (double-walled carbon nanotube, DWCNT), a multi-walled carbon nanotube (Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), It may include at least one selected from the group consisting of carbon nanofiber (CNF), graphene oxide (GO) and carbon black, and preferably includes single-walled carbon nanotubes. can do.
또한, 상기 비스무트 바나데이트(BV)에 대한 상기 도판트(D)의 몰 비율(D/BV, mol/mol)이 1 내지 20일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 15, 보다 바람직하게는 8 내지 12일 수 있다. 상기 비스무트 바나데이트에 대한 상기 도판트의 몰 비율이 1 미만일 경우 포토어노드에서 물 산화 반응을 통한 과산화수소로의 전환 선택성이 낮아 바람직하지 않고, 20을 초과할 경우 도판트의 몰 비율이 증가함에 따른 광전류 생성 및 과산화수소의 생성량 증가 효과가 오히려 감소하므로 바람직하지 않다. In addition, the molar ratio (D/BV, mol/mol) of the dopant (D) to the bismuth vanadate (BV) may be 1 to 20, preferably 5 to 15, more preferably 8 to It can be 12. When the molar ratio of the dopant to the bismuth vanadate is less than 1, the conversion selectivity to hydrogen peroxide through the water oxidation reaction in the photoanode is low, and when it exceeds 20, the molar ratio of the dopant increases. It is not preferable because the effect of generating photocurrent and increasing the amount of hydrogen peroxide is rather reduced.
또한, 상기 포토어노드가 기재를 추가로 포함하고, 상기 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트가 상기 기재 상에 형성될 수 있다.In addition, the photoanode may further include a substrate, and bismuth vanadate doped with the dopant may be formed on the substrate.
또한, 상기 캐소드가 카본페이퍼를 추가로 포함하고, 상기 탄소재료 및 구조식 1로 표시되는 화합물이 상기 카본페이퍼 상에 형성될 수 있다.In addition, the cathode may further include carbon paper, and the carbon material and the compound represented by
비스무트 바나데이트는 다른 산화물 반도체 물질과 비교하여 물 산화 반응 중 선택적인 2전자 반응을 통한 과산화수소로의 전환이 가능한 광전극 물질로 알려져 있다. 그러나 비스무트 바나데이트의 낮은 과산화수소 전환 선택성과 표면에서 생성된 과산화수소의 분해 반응 및 반응 중에 용해되는 문제로 인해 장기 구동을 위한 안정성이 미약하다. 종래 기술에서는 전환 선택성 향상을 위한 비스무트 바나데이트 물질 자체의 개질법은 없고 이를 해결하기 위해 고가의 장비를 이용하여 전극의 표면에 여러 산화물 반도체를 증착하여 전환 선택성을 확보하였다. 그러나 이러한 기술로도 과산화수소의 분해 반응을 억제할 수 없고 또한 전극의 구동 안정성에 관한 연구가 미비하다.Bismuth vanadate is known as a photoelectrode material capable of conversion to hydrogen peroxide through a selective two-electron reaction during water oxidation compared to other oxide semiconductor materials. However, the stability for long-term operation is weak due to the low hydrogen peroxide conversion selectivity of bismuth vanadate and the problem of dissolution during the decomposition reaction and reaction of hydrogen peroxide generated on the surface. In the prior art, there is no method for modifying the bismuth vanadate material itself to improve the conversion selectivity, and in order to solve this problem, various oxide semiconductors are deposited on the surface of the electrode using expensive equipment to secure the conversion selectivity. However, even with this technique, the decomposition reaction of hydrogen peroxide cannot be suppressed, and research on the driving stability of the electrode is insufficient.
따라서, 본 발명의 포토어노드는 비스무트 바나데이트에 도판트(몰리브데늄)를 도핑함으로써 물 산화 반응을 통한 과산화수소로의 전환 선택성을 높이고, 이 후 인산염(phosphate)으로 표면 처리함으로써 안정성이 향상되어 궁극적으로 광전기 화학적 공정을 통한 과산화수소의 생산에 탁월한 포토어노드를 제조하였다.Therefore, the photoanode of the present invention increases the selectivity for conversion to hydrogen peroxide through the water oxidation reaction by doping bismuth vanadate with a dopant (molybdenum), and then the stability is improved by surface treatment with phosphate. Ultimately, a photoanode excellent for the production of hydrogen peroxide through a photoelectrochemical process was prepared.
상기 포토어노드가 물과 반응하여 과산화수소를 생성하고, 상기 캐소드가 산소와 반응하여 과산화수소를 생성할 수 있다.The photoanode may react with water to generate hydrogen peroxide, and the cathode may react with oxygen to generate hydrogen peroxide.
상기 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드는 산소 환원 반응의 경쟁 반응인 물 분해를 통한 수소 생성을 완전히 억제하고 넓은 전압 범위에서 안정적인 과산화수소 생성이 가능하다.The cathode including the carbon material and the compound represented by
최종적으로, 본 발명의 광전기화학 셀은 상기 포토어노드와 상기 캐소드의 결합을 통해 외부 전압이 가해지지 않은 조건에서도 과산화수소를 동시에 생산할 수 있다.Finally, the photoelectrochemical cell of the present invention can simultaneously produce hydrogen peroxide even under a condition in which no external voltage is applied through the combination of the photoanode and the cathode.
본 발명은 (a) 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 포함하는 포토어노드를 제조하는 단계; (b) 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 포토어노드, 분리막 및 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀을 제조하는 단계;를 포함하는 광전기화학 셀의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of (a) preparing a photoanode comprising bismuth vanadate doped with a dopant; (b) preparing a cathode including a carbon material and a compound represented by
[구조식 1][Structural Formula 1]
상기 구조식 1에서,In
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
먼저, first, 도판트가dopant 도핑된doped 비스무트 bismuth 바나데이트를Bana date 포함하는 containing 포토어노드를photo anode 제조한다(단계 a). prepared (step a).
상기 단계 a는 두 단계로 나누어 수행될 수 있다.Step a may be performed by dividing it into two steps.
먼저, 비스무트 전구체, 바나듐 전구체 및 도판트 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조한다(단계 a-1).First, a precursor solution including a bismuth precursor, a vanadium precursor, and a dopant precursor is prepared (step a-1).
상기 비스무트 전구체가 Bi(NO3)3·5H2O, BiCl3, BiClO5·xH2O 및 BiF3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Bi(NO3)3·5H2O를 포함할 수 있다.The bismuth precursor may include at least one selected from the group consisting of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O, BiCl 3 , BiClO 5 ·xH 2 O and BiF 3 , and preferably Bi(NO 3 ) 3 · 5H 2 O may be included.
상기 바나듐 전구체가 OV(C5H7O2)2, OV(OCH(CH3)2)3, OV(OC3H7)3 및 VOCl3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 OV(C5H7O2)2를 포함할 수 있다.The vanadium precursor may include at least one selected from the group consisting of OV(C 5 H 7 O 2 ) 2 , OV(OCH(CH 3 ) 2 ) 3 , OV(OC 3 H 7 ) 3 and VOCl 3 and , preferably OV(C 5 H 7 O 2 ) 2 .
상기 도판트 전구체가 몰리브데늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 크롬 전구체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 몰리브데늄 전구체를 포함할 수 있다.The dopant precursor may include at least one selected from the group consisting of a molybdenum precursor, a tungsten precursor, and a chromium precursor, and may preferably include a molybdenum precursor.
상기 몰리브데늄 전구체가 Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum, Molybdenum(VI) oxide 및 Molybdenum(VI) tetrachloride oxide로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 포함할 수 있다.The molybdenum precursor may include at least one selected from the group consisting of Bis (acetylacetonato) dioxomolybdenum, Molybdenum (VI) oxide and Molybdenum (VI) tetrachloride oxide, and preferably Bis (acetylacetonato) dioxomolybdenum have.
상기 텅스텐 전구체가 Na2WO4·2H2O, WCl6 및 H2WO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Na2WO4·2H2O를 포함할 수 있다.The tungsten precursor may include at least one selected from the group consisting of Na 2 WO 4 ·2H 2 O, WCl 6 and H 2 WO 4 , and preferably include Na 2 WO 4 ·2H 2 O. .
상기 크롬 전구체가 Na2Cr2O7·4H2O, CrO3 및 K2Cr2O7로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Na2Cr2O7·4H2O를 포함할 수 있다.The chromium precursor may include at least one selected from the group consisting of Na 2 Cr 2 O 7 ·4H 2 O, CrO 3 and K 2 Cr 2 O 7 , preferably Na 2 Cr 2 O 7 ·4H 2 It may contain O.
다음으로, 상기 전구체 용액을 건조하고 열처리하여 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 제조한다(단계 a-2). Next, the precursor solution is dried and heat-treated to prepare dopant-doped bismuth vanadate (step a-2).
또한, 상기 단계 a-2의 열처리가 300 내지 800℃에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 400 내지 700℃, 보다 바람직하게는 450 내지 600℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리가 300℃ 미만에서 수행될 경우 비스무트 바나데이트의 결정성이 낮아 바람직하지 않고, 800℃를 초과할 경우 FTO 기재가 녹는 등 부가반응이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.In addition, the heat treatment of step a-2 may be performed at 300 to 800 °C, preferably at 400 to 700 °C, more preferably at 450 to 600 °C. When the heat treatment is performed at less than 300° C., the crystallinity of bismuth vanadate is low, which is not preferable, and when it exceeds 800° C., additional reactions such as melting of the FTO substrate may occur, which is not preferable.
또한, 상기 단계 a-2 이후에 인산염을 포함하는 용액으로 상기 포토어노드를 표면 처리하고 건조하고 열처리하는 단계(단계 a-2');를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after step a-2, the surface treatment of the photoanode with a solution containing a phosphate, drying, and heat treatment (step a-2'); may be further included.
또한, 상기 단계 a-2'의 열처리가 100 내지 500℃에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 200 내지 400℃, 보다 바람직하게는 250 내지 350℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리가 100℃ 미만에서 수행될 경우 포토어노드를 인산염으로 표면 처리하는 과정이 잘 수행되지 않아 인(P)을 상기 비스무트 바나데이트 상에 형성시키지 못하므로 바람직하지 않고, 500℃를 초과할 경우 부가반응이 발생할 수 있어 바람직하지 않다. In addition, the heat treatment of step a-2' may be performed at 100 to 500 °C, preferably at 200 to 400 °C, more preferably at 250 to 350 °C. When the heat treatment is performed at less than 100° C., it is not preferable because the process of surface treatment of the photoanode with phosphate is not well performed, so that phosphorus (P) cannot be formed on the bismuth vanadate, and when it exceeds 500° C. It is not preferable because an addition reaction may occur.
다음으로, 탄소재료 및 상기 Next, the carbon material and the
탄소재료 상에on carbon material
담지된supported
구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 containing a compound represented by the
상기 단계 b는 두 단계로 나누어 수행될 수 있다.Step b may be performed by dividing it into two steps.
먼저, 구조식 1로 표시되는 화합물 및 탄소재료를 혼합하여 혼합용액을 제조한다(단계 b-1).First, a mixed solution is prepared by mixing the compound represented by
상기 안트라퀴논 전구체가 Anthraquinone-2-carboxylic acid, Anthraquinone, Anthraquinone-2-sulfonic acid, 2-Aminoanthraquinone 및 2-Hydroxyanthraquinone으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Anthraquinone-2-carboxylic acid, Anthraquinone 및 Anthraquinone-2-sulfonic acid로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상, 보다 바람직하게는 Anthraquinone-2-carboxylic acid를 포함할 수 있다.The anthraquinone precursor may include at least one selected from the group consisting of Anthraquinone-2-carboxylic acid, Anthraquinone, Anthraquinone-2-sulfonic acid, 2-Aminoanthraquinone and 2-Hydroxyanthraquinone, preferably Anthraquinone-2-carboxylic acid, at least one selected from the group consisting of Anthraquinone and Anthraquinone-2-sulfonic acid, more preferably Anthraquinone-2-carboxylic acid.
상기 탄소재료가 단중벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF), 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO) 및 카본블랙(Carbon black)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 단중벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.The carbon material is single-walled carbon nanotube (SWCNT), double-walled carbon nanotube (DWCNT), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), carbon nano It may include at least one selected from the group consisting of fibers (Carbon nanofiber, CNF), graphene oxide (GO) and carbon black, and preferably include single-walled carbon nanotubes. have.
다음으로, 상기 혼합용액을 건조하고 열처리하여 구조식 1로 표시되는 화합물이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 제조한다(단계 b-2).Next, the mixed solution is dried and heat-treated to prepare a cathode including a carbon material on which the compound represented by
상기 단계 b-2의 열처리가 50 내지 100℃에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 70 내지 90℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리가 50℃ 미만에서 수행될 경우 구조식 1로 표시되는 화합물이 탄소재료에 담지되지 않으므로 바람직하지 않고, 100℃를 초과할 경우 부가반응이 발생할 수 있어 바람직하지 않다. The heat treatment of step b-2 may be performed at 50 to 100°C, preferably at 70 to 90°C. When the heat treatment is performed at less than 50° C., it is not preferable because the compound represented by
마지막으로, 상기 Finally, the above 포토어노드photo anode , 분리막 및 , separators and 캐소드를cathode 포함하는 containing 광전기화학photoelectrochemical 셀을 제조한다(단계 c). Prepare the cell (step c).
상기 포토어노드와 캐소드에 상대 전극(counter electrode)을 추가하여 3 전극 시스템(three-electrode system)으로 광전기화학 셀을 형성할 수 있다.A photoelectrochemical cell may be formed as a three-electrode system by adding a counter electrode to the photoanode and cathode.
상기 포토어노드와 캐소드를 직접적으로 연결하여 2 전극 시스템(two-electrode system)으로 광전기화학 셀을 형성할 수 있다. 상기 포토어노드와 캐소드가 직접적으로 연결될 경우 외부 전압이 가해지지 않은 조건에서도 각각 포토어노드와 캐소드에서 과산화수소를 제조할 수 있다.A photoelectrochemical cell may be formed in a two-electrode system by directly connecting the photoanode and the cathode. When the photoanode and the cathode are directly connected, hydrogen peroxide may be prepared in the photoanode and the cathode, respectively, even under a condition in which no external voltage is applied.
상기 분리막이 나피온계, 다공성 유무기소재, 미세 고분자소재 및 그래핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 나피온계를 포함할 수 있다.The separation membrane may include at least one selected from the group consisting of Nafion-based, porous organic-inorganic material, fine polymer material, and graphene, and may preferably include Nafion-based material.
본 발명은 (1) 상기 광전기화학 셀을 제공하는 단계; 및 (2) 광조사 하에서 상기 포토어노드가 물을 산화하여 과산화수소(H2O2)를 제조하고, 상기 캐소드가 산소를 환원시켜 과산화수소를 제조하는 단계;를 포함하는 과산화수소 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of (1) providing the photoelectrochemical cell; And (2) the photoanode oxidizes water under light irradiation to produce hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the cathode reduces oxygen to produce hydrogen peroxide; provides a method for producing hydrogen peroxide, including.
또한, 상기 산화와 환원이 동시에 수행될 수 있다.In addition, the oxidation and reduction may be performed simultaneously.
또한, 상기 광전기화학 셀이 태양에너지로부터 생성한 전기에너지로 과산화수소를 제조할 수 있다.In addition, the photoelectrochemical cell may produce hydrogen peroxide with electrical energy generated from solar energy.
[실시예] [Example]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.
포토어노드photo anode (( photoanodephotoanodes ))
실시예Example 1: One: MoMo (10%)-(10%)- BVOBVO
Bi(NO3)3·5H2O 및 OV(C5H7O2)2 각각 0.1M을 Acetylacetonate에 녹인 후 Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum 0.01M을 추가로 넣어준 뒤 24시간 동안 교반하여 혼합용액을 제조하였다.After each 0.1M of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O and OV(C 5 H 7 O 2 ) 2 was dissolved in Acetylacetonate, 0.01M of Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum was further added, followed by stirring for 24 hours to obtain a mixed solution. prepared.
상기 혼합용액 70μL를 1×2cm2 FTO 기재에 떨어트리고 3,000rpm에서 30초 동안 스핀코팅 후 500℃에서 10분간 열처리하였다. 상기 스핀코팅 및 열처리를 10회 반복 후 최종적으로 500℃에서 2시간 동안 열처리하여 Mo가 10%(mol%) 첨가된 Mo(10%)-BVO 포토어노드를 제조하였다. 70 μL of the mixed solution was dropped on a 1×2 cm 2 FTO substrate and spin-coated at 3,000 rpm for 30 seconds, followed by heat treatment at 500° C. for 10 minutes. After repeating the spin coating and
실시예Example 2: W- 2: W- BVOBVO
Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 0.01M 사용한 것 대신에 Na2WO4·2H2O를 0.01M 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 W-BVO 포토어노드를 제조하였다. A W-BVO photoanode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.01M of Na 2 WO 4 ·2H 2 O was used instead of using Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum at 0.01M.
실시예Example 3: 3: CrCr -- BVOBVO
Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 0.01M 사용한 것 대신에 Na2Cr2O7·4H2O를 0.01M 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Cr-BVO 포토어노드를 제조하였다. A Cr-BVO photoanode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.01M of Na 2 Cr 2 O 7 .4H 2 O was used instead of 0.01M of Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum.
실시예Example 4: 4: MoMo (5%)-(5%)- BVOBVO
Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 0.01M 사용한 것 대신에 0.005M 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Mo(5%)-BVO 포토어노드를 제조하였다. A Mo(5%)-BVO photoanode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.005M was used instead of 0.01M of Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum.
실시예Example 5: 5: MoMo (15%)-(15%)- BVOBVO
Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 0.01M 사용한 것 대신에 0.015M 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 Mo(15%)-BVO 포토어노드를 제조하였다. A Mo(15%)-BVO photoanode was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.015M of Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum was used instead of 0.01M.
실시예Example 6: P- 6: P- MoMo -- BVOBVO
Na3PO4 10mM을 에탄올과 물의 9:1(vol%) 혼합 용액에 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액 20μL를 실시예 1에 따라 제조된 1×2cm2 Mo(10%)-BVO 포토어노드에 떨어트리고 300℃에서 30분 동안 열처리하여 표면에 인산기가 결합된 P-Mo-BVO 포토어노드를 제조하였다.Na 3 PO 4 10mM was added to a 9:1 (vol%) mixed solution of ethanol and water to prepare a mixed solution. 20 μL of the mixed solution was dropped on the 1×2 cm 2 Mo (10%)-BVO photoanode prepared according to Example 1 and heat-treated at 300° C. for 30 minutes to form a P-Mo-BVO photo anode having a phosphoric acid group bonded to the surface Nodes were fabricated.
비교예comparative example 1: One: BVOBVO
Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum을 0.01M 사용한 것 대신에 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 BVO 포토어노드를 제조하였다.A BVO photoanode was prepared in the same manner as in Example 1, except that Bis(acetylacetonato)dioxomolybdenum was not used instead of 0.01M.
캐소드cathode (cathode)(cathode)
실시예Example 7: AQ- 7: AQ- CNTCNT /C/C
Anthraquinone-2-carboxylic acid 3mM, 단중벽 탄소나노튜브(SWCNT) 6.3mg 및 5wt% 나피온(Nafion) 용액 12μL를 acetonitrile 1mL에 초음파 분산시켜 혼합용액을 제조하였다. Anthraquinone-2-
상기 혼합용액을 1×2cm2 카본 페이퍼(carbon paper)에 떨어트리고 80℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 코팅 및 열처리 과정을 10회 반복하여 안트라퀴논(AQ)이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드를 제조하였다.The mixed solution was dropped on 1×2 cm 2 carbon paper and heat-treated at 80° C. for 10 minutes. The coating and heat treatment processes were repeated 10 times to prepare an AQ-CNT/C cathode in which anthraquinone (AQ) was supported on carbon nanotubes.
비교예comparative example 2: 2: CNTCNT /C/C
Anthraquinone-2-carboxylic acid 3mM을 사용한 것 대신에 사용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법으로 CNT/C 캐소드를 제조하였다.Anthraquinone-2-carboxylic acid CNT / C cathode was prepared in the same manner as in Example 7 except that it was not used instead of using 3 mM.
비교예comparative example 3: C 3: C
1×2cm2 카본 페이퍼(carbon paper)를 이용해 C 캐소드를 제조하였다.1×2cm 2 A C cathode was prepared using carbon paper.
광전기화학photoelectrochemical 셀( cell( photoelectrochemicalphotoelectrochemical ( ( PECPEC ) cell)) cell)
소자실시예device example 1: One: MoMo -- BVOBVO ∥AQ-│AQ- CNTCNT /C/C
1M의 NaHCO3(HClO4에 의해 조정된 pH ~7.8)을 함유하고 나피온 멤브레인(Membrane Nafion N117)에 의해 분리된 두 칸의 셀을 가지고, 2개의 전극 시스템을 구현하였다.A two-electrode system was implemented with a cell containing 1M NaHCO 3 ( pH ~7.8 adjusted by HClO 4 ) and separated by a Nafion membrane (Membrane Nafion N117).
셀에서 각각의 칸에 실시예 1에 따라 제조된 Mo(10%)-BVO 포토어노드와 실시예 7에 따라 제조된 AQ-CNT/C 캐소드를 배치한 후, 포토어노드가 있는 용액은 Ar(99.9%)가스, 캐소드가 있는 용액은 O2(99.9%)가스로 최소 15분 동안 퍼지(purged)하였다. 상기 포토어노드와 상기 캐소드를 결합하여 Mo-BVO∥AQ-CNT/C 광전기화학 셀을 제조하였다.After placing the Mo(10%)-BVO photoanode prepared according to Example 1 and the AQ-CNT/C cathode prepared according to Example 7 in each cell in the cell, the solution with the photoanode was Ar (99.9%) gas, the solution with the cathode was purged with O 2 (99.9%) gas for at least 15 minutes. By combining the photoanode and the cathode, a Mo-BVO|AQ-CNT/C photoelectrochemical cell was prepared.
소자실시예device example 2: P- 2: P- MoMo -- BVOBVO ∥AQ-│AQ- CNTCNT /C/C
실시예 1에 따라 제조된 Mo(10%)-BVO 포토어노드를 사용한 대신에 실시예 6에 따라 제조된 P-Mo-BVO 포토어노드를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 P-Mo-BVO∥AQ-CNT/C 광전기화학 셀을 제조하였다.In the same manner as in Device Example 1, except that the P-Mo-BVO photoanode prepared according to Example 6 was used instead of using the Mo(10%)-BVO photoanode prepared according to Example 1 A P-Mo-BVO|AQ-CNT/C photoelectrochemical cell was prepared.
소자비교예Device comparison example 1: One: MoMo -- BVOBVO ∥? CNTCNT /C/C
실시예 7에 따라 제조된 AQ-CNT/C 캐소드를 사용한 대신에 비교예 2에 따라 제조된 CNT/C 캐소드를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 Mo-BVO∥CNT/C 광전기화학 셀을 제조하였다.Mo-BVO | CNT/C photoelectricity in the same manner as in Device Example 1, except that the CNT/C cathode prepared according to Comparative Example 2 was used instead of using the AQ-CNT/C cathode prepared according to Example 7 A chemical cell was prepared.
소자비교예Device comparison example 2: 2: MoMo -- BVOBVO ∥C│C
실시예 7에 따라 제조된 AQ-CNT/C 캐소드를 사용한 대신에 비교예 3에 따라 제조된 C 캐소드를 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 Mo-BVO∥C 광전기화학 셀을 제조하였다.A Mo-BVO│C photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Device Example 1, except that the C cathode prepared according to Comparative Example 3 was used instead of the AQ-CNT/C cathode prepared according to Example 7 did.
[시험예] [Test Example]
시험예test example 1: One: 포토어노드photo anode 및 and 캐소드의cathodic 표면 특성 surface properties
도 2a는 실시예 1에 따라 제조된 포토어노드의 SEM 사진을 나타낸 것이고, 도 2b는 실시예 1 내지 3, 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 도 2c는 실시예 1 내지 3, 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드에 대한 O 1s의 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 2d는 안트라퀴논-탄소나노튜브(AQ-CNT), 탄소나노튜브(CNT) 및 안트라퀴논(Pure AQ) 샘플의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다.FIG. 2a shows an SEM photograph of the photoanode manufactured according to Example 1, and FIG. 2b shows XRD patterns of the photoanode manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Referring to FIG. 2c shows XPS spectra of O 1s for the photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and FIG. 2d is an anthraquinone-carbon nanotube (AQ-CNT), carbon nanotube (CNT). ) and FTIR spectra of anthraquinone (Pure AQ) samples.
도 2a를 참조하면, 몰리브데늄(Mo)이 도핑된 비스무트 바나데이트(BiVO4) 포토어노드가 평균 60 내지 70nm의 입자 사이즈를 가지는 다공성 구조인 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2A , it can be seen that the bismuth vanadate (BiVO 4 ) photoanode doped with molybdenum (Mo) has a porous structure having an average particle size of 60 to 70 nm.
도 2b를 참조하면, 순수 비스무트 바나데이트(BVO)인 비교예 1의 경우, 34 내지 36도에서 두 개의 메인 픽(main peak)를 보여준다. 이는 비스무트 바나데이트(BiVO4)가 단사정계(monoclinic) 구조임을 보여준다. 그러나, 도판트가 포함된 실시예 1 내지 3의 경우, 상기 두 개의 메인 픽이 하나로 합쳐진 형태를 보여준다. 이는 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트가 정방정계(tetragonal) 구조임을 보여준다.Referring to FIG. 2B , in the case of Comparative Example 1, which is pure bismuth vanadate (BVO), two main peaks are shown at 34 to 36 degrees. This shows that bismuth vanadate (BiVO 4 ) has a monoclinic structure. However, in the case of Examples 1 to 3 including the dopant, the two main picks are combined into one. This shows that the dopant-doped bismuth vanadate has a tetragonal structure.
도 2c를 참조하면, 비스무트 바나데이트에 도판트(Mo, W, Cr)가 도핑되면 산소의 결합에너지가 높아지고, 산소의 표면 수산기 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2C , it can be seen that when bismuth vanadate is doped with dopants (Mo, W, Cr), the binding energy of oxygen increases and the surface hydroxyl group of oxygen also increases.
도 2d를 참조하면, 단중벽 탄소나노튜브(SWCNT), 안트라퀴논-단중벽 탄소나노튜브(AQ-SWCNT) 및 순수 안트라퀴논(pure AQ)의 화학구조를 확인할 수 있다. 안트라퀴논-단중벽 탄소나노튜브(AQ-SWCNT)의 경우 순수 안트라퀴논(pure AQ)과 유사한 화학구조를 가지므로, 안트라퀴논이 단중벽 탄소나노튜브에 고정(anchoring)된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2D , chemical structures of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), anthraquinone-single-walled carbon nanotubes (AQ-SWCNTs), and pure anthraquinones (pure AQ) can be confirmed. Since the anthraquinone-single-walled carbon nanotube (AQ-SWCNT) has a chemical structure similar to that of pure anthraquinone (pure AQ), it can be confirmed that the anthraquinone is anchored to the single-walled carbon nanotube.
시험예test example 2: 2: 포토어노드의photoanode's 광전기화학적photoelectrochemical 활성 activation
시험예test example 2-1: 2-1: 포토어노드의photoanode's 광전류 생성 및 과산화수소 생산효율 Photocurrent generation and hydrogen peroxide production efficiency
도 3a는 실시예 1, 5, 6 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 광전기화학적 특성(광전류 생성, LSVs) 및 전압별 과산화수소 생산효율([H2O2]A)을 나타낸 것이고, 도 3b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 광전기화학적 특성(광전류 생성, LSVs) 및 전압별 과산화수소 생산효율([H2O2]A)을 나타낸 것이다. 도 3c는 1kHz의 고정 주파수에서 측정된 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 Mott-Schottky(M-S) 그래프를 나타낸 것이고, 도 3d는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 AM 1.5G 조사(100mW·cm-2), 1M의 NaHCO3 용액(pH ~7.8) 및 1.0VRHE 인가 전위에서 Nyquist plots을 나타낸 것이다. Figure 3a shows the photoelectrochemical properties (photocurrent generation, LSVs) and the hydrogen peroxide production efficiency by voltage ([H 2 O 2 ] A ) of the photoanodes prepared according to Examples 1, 5, 6 and Comparative Example 1; 3B shows the photoelectrochemical properties (photocurrent generation, LSVs) and the hydrogen peroxide production efficiency ([H 2 O 2 ] A ) of the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 by voltage. 3c is a Mott-Schottky (MS) graph of the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 measured at a fixed frequency of 1 kHz, and FIG. 3d is Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 The Nyquist plots are shown under AM 1.5G irradiation (100 mW·cm -2 ), 1M NaHCO 3 solution (pH ~7.8), and 1.0V RHE applied potential of the photoanode prepared according to .
도 3a를 참조하면, 몰리브데늄이 10%(mol%) 도핑된 비스무트 바나데이트(실시예 1)가 가장 높은 광전류 생산 및 과산화수소 생성량을 보여주는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3A , it can be seen that bismuth vanadate (Example 1) doped with 10% (mol%) molybdenum shows the highest photocurrent production and hydrogen peroxide production amount.
도 3b를 참조하면, 도판트가 도핑되지 않거나, 텅스텐(W) 및 크롬(Cr)이 도핑된 비스무트 바나데이트에 비해 몰리브데늄이 도핑된 비스무트 바나데이트가 보다 높은 광전류 생산 및 과산화수소 생성량을 보여주는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3B , it was found that bismuth vanadate doped with molybdenum showed higher photocurrent production and hydrogen peroxide production compared to bismuth vanadate doped with no dopant or doped with tungsten (W) and chromium (Cr). can be checked
도 3c 및 3d를 참조하면, 도판트 종류에 따른 비스무트 바나데이트의 전기전도도 및 계면 저항 특성을 파악할 수 있다. 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트는 전기전도도 및 계면 저항이 모두 향상되었고, 그 중 몰리브데늄이 도핑된 비스무트 바나데이트의 경우 가장 좋은 효율을 보여주는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3C and 3D , the electrical conductivity and interfacial resistance characteristics of bismuth vanadate according to the dopant type can be identified. It can be seen that the bismuth vanadate doped with a dopant has improved both electrical conductivity and interfacial resistance, and among them, it can be seen that the bismuth vanadate doped with molybdenum shows the best efficiency.
시험예test example 2-2: 2-2: 포토어노드의photoanode's 과산화수소 분해량 Hydrogen peroxide decomposition amount
도 4a는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 시간에 따른 과산화수소 분해량을 나타낸 것이고, 도 4b는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 상기 시간에 따른 과산화수소 분해량 측정 중의 광전류 흐름 및 생성된 전하량을 나타낸 것이다. 도 4c는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 포토어노드의 시간에 따른 과산화수소 분해량을 생성된 전하량으로 나눈 값을 나타낸 것이다.4A shows the amount of hydrogen peroxide decomposition with time of the photoanodes prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, and FIG. 4B is the photoanode prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The photocurrent flow and the amount of generated electric charge during the measurement of the amount of hydrogen peroxide decomposition with time are shown. FIG. 4c shows a value obtained by dividing the amount of hydrogen peroxide decomposition with time of the photoanodes manufactured according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 by the amount of generated electric charge.
도 4a를 참조하면, 순수 비스무트 바나데이트(BVO, 비교예 1)에 비해 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트의 경우 과산화수소 분해량이 줄어든 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4A , it can be seen that the amount of decomposition of hydrogen peroxide is reduced in the case of dopant-doped bismuth vanadate compared to pure bismuth vanadate (BVO, Comparative Example 1).
도 4b를 참조하면, 크롬(Cr)을 제외한 나머지 도판트(Mo, W)가 도핑된 비스무트 바나데이트의 경우 향상된 광전류 생산을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4B , it can be seen that bismuth vanadate doped with the remaining dopants (Mo, W) except for chromium (Cr) exhibits improved photocurrent production.
도 4c를 참조하면, 몰리브데늄(Mo)이 도핑된 비스무트 바나데이트가 생성된 광전류 대비 분해된 과산화수소량이 가장 적은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4C , it can be seen that the amount of decomposed hydrogen peroxide is the smallest compared to the photocurrent generated by bismuth vanadate doped with molybdenum (Mo).
시험예test example 3: 3: 캐소드의cathodic 광전기화학적photoelectrochemical 활성 activation
도 5a는 실시예 7, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 캐소드의 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 가스 상에서 Cyclic voltammograms(CVs)를 나타낸 것이고, 도 5b는 실시예 7, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 캐소드의 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 가스, 어두운 상태, 1M의 NaHCO3 용액(pH ~7.8) 및 -1.5VRHE 인가 전위에서 Nyquist plots을 나타낸 것이다. 도 5c는 안트라퀴논-탄소나노튜브(AQ-CNT) 및 탄소나노튜브(CNT) 파우더의 Koutecky-Levich plots을 나타낸 것이다. 상기 Koutecky-Levich plots은 산소(O2) 가스로 미리 퍼지된(pre-purged) 0.1M의 KOH 용액에 -0.5VAg / AgCl 인가 전압을 가했을 때 회전 디스크 전극(rotating disk electrode, RDE) 측정으로 획득하였다. Figure 5a shows Cyclic voltammograms (CVs) in the argon (Ar) and oxygen (O 2 ) gas phase of the cathode prepared according to Example 7, Comparative Example 2 and Comparative Example 3, Figure 5b is Example 7, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 of the cathode prepared according to argon (Ar) and oxygen (O 2 ) gas, in the dark state, 1M NaHCO 3 solution (pH ~7.8) and -1.5V RHE at the applied potential Nyquist plots are shown. Figure 5c shows Koutecky-Levich plots of anthraquinone-carbon nanotube (AQ-CNT) and carbon nanotube (CNT) powder. The Koutecky-Levich plots are a rotating disk electrode (RDE) measurement when -0.5V Ag / AgCl applied voltage is applied to a 0.1M KOH solution pre-purged with oxygen (O 2 ) gas. obtained.
도 5a를 참조하면, 카본페이퍼 캐소드(C, 비교예 3), 탄소나노튜브 캐소드(CNT/C, 비교예 2) 및 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드(실시예 7)의 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 가스 상에서 전기화학적 특성을 확인할 수 있다. 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드는 아르곤 가스 상에서 안트라퀴논의 환원 및 산화 픽(peak)을 보이고, 산소 가스 상에서 향상된 환원 전류를 보여주는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 5a, carbon paper cathode (C, Comparative Example 3), carbon nanotube cathode (CNT / C, Comparative Example 2) and anthraquinone AQ-CNT / C cathode supported on carbon nanotube (Example) 7) of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) can be confirmed in the gas phase electrochemical properties. It can be seen that the AQ-CNT/C cathode in which anthraquinone is supported on carbon nanotubes shows reduction and oxidation peaks of anthraquinone in argon gas and improved reduction current in oxygen gas.
도 5b를 참조하면, 카본페이퍼 캐소드(C, 비교예 3), 탄소나노튜브 캐소드(CNT/C, 비교예 2) 및 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드(실시예 7)의 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 가스 상에서 계면저항특성을 확인할 수 있다. 모든 전극이 아르곤 가스보다 산소 가스 상에서 낮은 계면저항을 나타냈으며, 그 중 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드가 산소 가스 상에서 가장 낮은 계면저항을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5b, carbon paper cathode (C, Comparative Example 3), carbon nanotube cathode (CNT/C, Comparative Example 2) and anthraquinone supported on carbon nanotube AQ-CNT/C cathode (Example) The interfacial resistance characteristics can be confirmed in the argon (Ar) and oxygen (O 2 ) gases of 7). All electrodes exhibited lower interfacial resistance in oxygen gas than argon gas, and it can be seen that the AQ-CNT/C cathode in which anthraquinone is supported on carbon nanotubes exhibits the lowest interfacial resistance in oxygen gas.
도 5c를 참조하면, 탄소나노튜브 캐소드(CNT/C, 비교예 2) 및 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드(실시예 7)의 산소 환원 반응속도 특성을 확인할 수 있다. 탄소나노튜브 캐소드(비교예 2) 및 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드(실시예 7)은 각각 4 및 2의 산소 환원 반응속도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는, 안트라퀴논으로 인한 과산화수소로의 환원 선택성을 보여준다.Referring to FIG. 5c, the oxygen reduction reaction rate characteristics of the carbon nanotube cathode (CNT/C, Comparative Example 2) and the AQ-CNT/C cathode (Example 7) in which anthraquinone is supported on the carbon nanotube can be confirmed. have. It can be seen that the carbon nanotube cathode (Comparative Example 2) and the AQ-CNT/C cathode (Example 7) in which anthraquinone is supported on the carbon nanotube show oxygen reduction reaction rates of 4 and 2, respectively. This shows the reduction selectivity to hydrogen peroxide due to the anthraquinone.
시험예test example 4: 4: 광전기화학photoelectrochemical 셀의 cell's 광전기화학적photoelectrochemical 활성 activation
도 6a는 소자실시예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 광전기화학적 특성(광전류 생성, LSVs) 및 전압별 과산화수소 또는 산소 발생 효율을 나타낸 것이고, 도 6b는 소자실시예 1과 소자비교예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 전압별 과산화수소 또는 수소의 생산량 및 효율을 나타낸 것이다.Figure 6a shows the photoelectrochemical characteristics (photocurrent generation, LSVs) and the hydrogen peroxide or oxygen generation efficiency for each voltage of the photoelectrochemical cell prepared according to Device Example 1, and Figure 6b shows Device Example 1 and Device Comparative Example 1. It shows the production and efficiency of hydrogen peroxide or hydrogen for each voltage of the manufactured photoelectrochemical cell.
도 6a를 참조하면, FEA(H2O2), FEA(O2) 및 FEA(H2O2+O2)를 통해 포토어노드에서 산소의 생성과 동시에 과산화수소가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, FEC(H2O2)를 통해 캐소드가 모든 전압범위에서 100%의 과산화수소 생성효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6a , it can be confirmed that hydrogen peroxide is simultaneously generated at the photoanode through FE A (H 2 O 2 ), FE A (O 2 ) and FE A (H 2 O 2 +O 2 ). can In addition, it can be confirmed that the cathode exhibits 100% hydrogen peroxide production efficiency in all voltage ranges through FE C (H 2 O 2 ).
도 6b를 참조하면, 탄소나노튜브 캐소드(CNT/C)를 사용한 소자비교예 1은 모든 전압 범위에서 수소가 경쟁적으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 그에 반해, 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 AQ-CNT/C 캐소드를 사용한 소자실시예 1은 모든 전압 범위에서 100%의 과산화수소 전환 선택성을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6b , in Device Comparative Example 1 using a carbon nanotube cathode (CNT/C), it can be confirmed that hydrogen is competitively generated in all voltage ranges. In contrast, it can be seen that Device Example 1 using the AQ-CNT/C cathode in which anthraquinone is supported on carbon nanotubes shows 100% hydrogen peroxide conversion selectivity in all voltage ranges.
시험예test example 5: 인산염으로 표면 처리된 5: surface treated with phosphate 포토어노드의photoanode's 포함 여부에 따른 with or without 광전기화학photoelectrochemical 셀의 cell's 광전기화학적photoelectrochemical 활성 activation
시험예test example 5-1: 인산염으로 표면 처리된 5-1: surface-treated with phosphate 포토어노드를photo anode 사용한 used 광전기화학photoelectrochemical 셀의 광전류 생성 및 과산화수소 생산효율 Cell photocurrent generation and hydrogen peroxide production efficiency
도 7a는 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 광전기화학 셀의 광전기화학적 특성(광전류 생성, LSVs) 및 전압별 과산화수소 생산효율을 나타낸 것이고, 도 7b는 소자실시예 1, 2 및 소자비교예 1에 따라 제조된 광전기화학 셀의 시간에 따른 광전류 생성량 및 과산화수소 생성량을 나타낸 것이다. 도 7c는 소자실시예 1 및 2에 따라 제조된 광전기화학 셀의 100시간 동안 광전기화학적 특성을 나타낸 것이고, 도 7d는 소자실시예 1에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 후 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 7e는 소자실시예 1 및 2에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 전 후의 Bi 4f 및 V 2p XPS 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 7f는 소자실시예 1 및 2에서 사용된 포토어노드의 100시간 반응 전 후의 P 2p 및 Sn 3d XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.7A shows the photoelectrochemical characteristics (photocurrent generation, LSVs) and the hydrogen peroxide production efficiency for each voltage of the photoelectrochemical cells prepared according to Device Examples 1 and 2, and FIG. 7B shows Device Examples 1 and 2 and Device Comparative Example 1 The photocurrent generation amount and hydrogen peroxide production amount according to the time of the photoelectrochemical cell prepared according to FIG. 7c shows the photoelectrochemical properties of the photoelectrochemical cells prepared according to Device Examples 1 and 2 for 100 hours, and FIG. 7d shows the surface SEM image of the photoanode used in Device Example 1 after 100 hours of reaction. will be. 7e shows Bi 4f and V 2p XPS spectra before and after 100 hours of reaction of the photoanode used in Device Examples 1 and 2, and FIG. 7f is 100 hours of the photoanode used in Device Examples 1 and 2 P 2p and Sn 3d XPS spectra before and after the reaction are shown.
상세하게는, 상기 광전기화학적 특성 및 과산화수소 생성량은 FTO 기재 상에 스퍼터링(30초 동안 20mA; Cressington 208HR)된 Pt 전극을 카운터 전극(counter electrode)로 사용하여 3 전극 시스템으로 측정되었다.Specifically, the photoelectrochemical properties and the amount of hydrogen peroxide production were measured with a three-electrode system using a Pt electrode sputtered on an FTO substrate (20 mA for 30 sec; Cressington 208HR) as a counter electrode.
도 7a를 참조하면, 인산염으로 표면 처리된 포토어노드를 사용한 소자실시예 2(P-Mo-BVO∥AQ-CNT/C)가 향상된 광전류 생성 및 과산화수소로의 전환 선택성을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7a , it can be seen that Device Example 2 (P-Mo-BVO|AQ-CNT/C) using a photoanode surface-treated with phosphate exhibits improved photocurrent generation and conversion selectivity to hydrogen peroxide.
도 7b를 참조하면, 소자실시예 2에 따라 제조된 광전기화학 셀(P-Mo-BVO∥AQ-CNT/C)이 안정적인 광전류의 생성 및 높은 과산화수소 생성량을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7B , it can be seen that the photoelectrochemical cell (P-Mo-BVO | AQ-CNT/C) manufactured according to Device Example 2 shows stable photocurrent generation and high hydrogen peroxide production.
도 7c를 참조하면, 100시간 동안의 광전류 생성 비교를 통해 인산염으로 표면 처리된 포토어노드를 사용할 경우 안정적인 광전류의 생성을 보이나 인산기가 결합되지 않은 경우 20시간 이내에 초기 광전류가 거의 없어짐을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7c , through comparison of photocurrent generation for 100 hours, when a photoanode surface-treated with phosphate is used, stable photocurrent is generated, but when a phosphate group is not bound, it can be confirmed that the initial photocurrent almost disappears within 20 hours. .
도 7d를 참조하면, 인산염으로 표면 처리된 포토어노드를 사용하지 않은 경우, 100시간 동안 광전기화학 반응 후 기판에 증착된 비스무트 바나데이트의 기존 구조가 다 무너지고 FTO가 드러나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7D , when the photoanode surface-treated with phosphate is not used, it can be seen that the existing structure of the bismuth vanadate deposited on the substrate collapses and the FTO is exposed after photoelectrochemical reaction for 100 hours.
도 7e 및 7f를 참조하면, 인산염으로 표면 처리된 포토어노드를 사용하지 않을 경우, 비스무트(Bi) 및 바나데이트(V)의 픽(peak)이 줄어들고 FTO의 주석(Sn) 픽(peak)이 늘어나는 것을 확인할 수 있다.7e and 7f, when the photoanode surface-treated with phosphate is not used, the peaks of bismuth (Bi) and vanadate (V) are reduced, and the tin (Sn) peak of FTO is increased. increase can be seen.
시험예test example 5-2: 인산염으로 표면 처리된 5-2: surface-treated with phosphate 포토어노드와with photo anode 캐소드를cathode 직접 연결했을 때 광전류 생성 및 과산화수소 생성량 Photocurrent generation and hydrogen peroxide generation when directly connected
도 8a는 실시예 1, 6, 7, 비교예 2 및 3의 광전기화학 특성(광전류 생성, LSVs)을 나타낸 것이고, 도 8b는 외부 인가 전압이 없는 조건에서 소자실시예 1, 2, 소자비교예 1 및 2의 광전기화학 특성(광전류 생성, LSVs)을 나타낸 것이다. 도 8c는 외부 인가 전압이 없는 조건에서 소자실시예 1 및 2의 시간에 따른 광전류 생성량 및 과산화수소 생성량을 나타낸 것이다.8A shows the photoelectrochemical properties (photocurrent generation, LSVs) of Examples 1, 6, 7, and Comparative Examples 2 and 3, and FIG. 8B shows Device Examples 1, 2, and Comparative Example in the absence of external voltage. The photoelectrochemical properties (photocurrent generation, LSVs) of 1 and 2 are shown. 8C shows the amount of photocurrent generated and the amount of hydrogen peroxide generated according to time in Device Examples 1 and 2 in the absence of an externally applied voltage.
상세하게는, 상기 외부인가 전압이 없는 조건을 달성하기 위해 포토어노드와 캐소드를 직접 연결하여 2 전극 시스템을 형성하였다.Specifically, a two-electrode system was formed by directly connecting a photoanode and a cathode to achieve the condition in which there is no externally applied voltage.
도 8a를 참조하면, 포토어노드의 산화 전류 및 캐소드의 환원 전류가 접합되는 지점을 바탕으로 외부 인가 전압 없이 광전기화학 셀이 구동 가능한지를 예상할 수 있다.Referring to FIG. 8A , it can be predicted whether the photoelectrochemical cell can be driven without an externally applied voltage based on the junction of the oxidation current of the photoanode and the reduction current of the cathode.
도 8b를 참조하면, 인산염으로 표면 처리함으로써 인(P)이 비스무트 바나데이트 상에 형성된 포토어노드(P-Mo-BVO)와 안트라퀴논이 탄소나노튜브 상에 담지된 캐소드(AQ-CNT/C)을 이용한 광전기화학 셀(소자실시예 2)가 가장 높은 광전류 생산을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8b, a photoanode (P-Mo-BVO) in which phosphorus (P) is formed on bismuth vanadate by surface treatment with a phosphate salt (P-Mo-BVO) and a cathode in which anthraquinone is supported on carbon nanotubes (AQ-CNT/C) It can be seen that the photoelectrochemical cell (Device Example 2) using ) showed the highest photocurrent production.
도 8c를 참조하면, 몰리브데늄이 도핑된 비스무트 바나데이트를 인산염으로 표면 처리함으로써 인(P)이 비스무트 바나데이트 상에 형성될 경우 안정적인 광전류 생성 및 향상된 과산화수소 생성량을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8C , it can be seen that when phosphorus (P) is formed on the bismuth vanadate by surface-treating the molybdenum-doped bismuth vanadate with a phosphate, stable photocurrent generation and improved hydrogen peroxide production are exhibited.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
Claims (20)
탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드(cathode);를 포함하고,
상기 포토어노드는 인산염(phosphate)으로 표면 처리된 것인, 광전기화학 셀(photoelectrochemical (PEC) cell):
[구조식 1]
상기 구조식 1에서,
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.a photoanode comprising bismuth vanadate (BiVO 4 ) doped with a dopant; and
Including; a cathode comprising a carbon material and a compound represented by Structural Formula 1 supported on the carbon material;
Wherein the photoanode is surface-treated with phosphate, a photoelectrochemical (PEC) cell:
[Structural Formula 1]
In Structural Formula 1,
R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
상기 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 상기 인산염(phosphate)으로 표면 처리함에 의해 상기 포토어노드가 인(P)을 상기 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트 상에 형성시키는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The photoelectrochemical cell, characterized in that by surface-treating the dopant-doped bismuth vanadate with the phosphate, the photoanode forms phosphorus (P) on the dopant-doped bismuth vanadate. .
상기 도판트가 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The photoelectrochemical cell, characterized in that the dopant comprises at least one selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W) and chromium (Cr).
상기 탄소재료가 단중벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT), 탄소나노섬유(Carbon nanofiber, CNF), 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO) 및 카본블랙(Carbon black)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The carbon material is single-walled carbon nanotube (SWCNT), double-walled carbon nanotube (DWCNT), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), carbon nano A photoelectrochemical cell comprising at least one selected from the group consisting of fibers (Carbon nanofiber, CNF), graphene oxide (GO), and carbon black.
상기 비스무트 바나데이트(BV)에 대한 상기 도판트(D)의 몰 비율(D/BV, mol/mol)이 1 내지 20인 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The photoelectrochemical cell, characterized in that the molar ratio (D/BV, mol/mol) of the dopant (D) to the bismuth vanadate (BV) is 1 to 20.
상기 포토어노드가 기재를 추가로 포함하고,
상기 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트가 상기 기재 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The photoanode further comprises a substrate,
The photoelectrochemical cell, characterized in that the dopant-doped bismuth vanadate is formed on the substrate.
상기 캐소드가 카본페이퍼를 추가로 포함하고,
상기 탄소재료 및 구조식 1로 표시되는 화합물이 상기 카본페이퍼 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.According to claim 1,
The cathode further comprises carbon paper,
The photoelectrochemical cell, characterized in that the carbon material and the compound represented by Structural Formula 1 are formed on the carbon paper.
(b) 탄소재료 및 상기 탄소재료 상에 담지된 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 캐소드를 제조하는 단계; 및
(c) 분리막, 상기 포토어노드 및 상기 캐소드를 포함하는 광전기화학 셀을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 포토어노드는 인산염(phosphate)으로 표면 처리된 것인, 광전기화학 셀의 제조방법:
[구조식 1]
상기 구조식 1에서,
R은 수소원자, 카르복실기, 술폰산기, 아미노기, 또는 히드록시기이다.(a) preparing a photoanode comprising bismuth vanadate doped with a dopant;
(b) preparing a cathode including a carbon material and a compound represented by Structural Formula 1 supported on the carbon material; and
(c) preparing a photoelectrochemical cell including a separator, the photoanode and the cathode;
Wherein the photoanode is surface-treated with phosphate, a method of manufacturing a photoelectrochemical cell:
[Structural Formula 1]
In Structural Formula 1,
R is a hydrogen atom, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, or a hydroxy group.
상기 단계 (a)가
(a-1) 비스무트 전구체, 바나듐 전구체 및 도판트 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계; 및
(a-2) 상기 전구체 용액을 건조하고 열처리하여 도판트가 도핑된 비스무트 바나데이트를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.10. The method of claim 9,
The step (a) is
(a-1) preparing a precursor solution including a bismuth precursor, a vanadium precursor, and a dopant precursor; and
(a-2) drying the precursor solution and heat-treating to prepare dopant-doped bismuth vanadate;
상기 단계 (a-2)의 열처리가 300 내지 800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.11. The method of claim 10,
The method of manufacturing a photoelectrochemical cell, characterized in that the heat treatment of step (a-2) is performed at 300 to 800 ℃.
상기 광전기화학 셀의 제조방법이 상기 단계 (a-2) 이후에
(a-2') 인산염을 포함하는 용액으로 상기 포토어노드를 표면 처리하고 건조하고 열처리하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.11. The method of claim 10,
After the step (a-2), the method for manufacturing the photoelectrochemical cell is
(a-2') surface-treating the photoanode with a solution containing a phosphate, drying, and heat-treating;
상기 단계 (a-2')의 열처리가 100 내지 500℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.13. The method of claim 12,
The method of manufacturing a photoelectrochemical cell, characterized in that the heat treatment of step (a-2') is performed at 100 to 500 ℃.
상기 비스무트 전구체가 Bi(NO3)3·5H2O, BiCl3, BiClO5·xH2O 및 BiF3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 바나듐 전구체가 OV(C5H7O2)2, OV(OCH(CH3)2)3, OV(OC3H7)3 및 VOCl3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.11. The method of claim 10,
The bismuth precursor includes at least one selected from the group consisting of Bi(NO 3 ) 3 ·5H 2 O, BiCl 3 , BiClO 5 ·xH 2 O and BiF 3 ,
The vanadium precursor comprises at least one selected from the group consisting of OV(C 5 H 7 O 2 ) 2 , OV(OCH(CH 3 ) 2 ) 3 , OV(OC 3 H 7 ) 3 and VOCl 3 . A method for manufacturing a photoelectrochemical cell.
상기 도판트 전구체가 몰리브데늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 크롬 전구체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.11. The method of claim 10,
The method of manufacturing a photoelectrochemical cell, characterized in that the dopant precursor comprises at least one selected from the group consisting of a molybdenum precursor, a tungsten precursor, and a chromium precursor.
상기 단계 (b)가
(b-1) 구조식 1로 표시되는 화합물 및 탄소재료를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및
(b-2) 상기 혼합용액을 건조하고 열처리하여 구조식 1로 표시되는 화합물이 담지된 탄소재료를 포함하는 캐소드를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.10. The method of claim 9,
The step (b) is
(b-1) preparing a mixed solution by mixing the compound represented by Structural Formula 1 and a carbon material; and
(b-2) drying and heat-treating the mixed solution to prepare a cathode including a carbon material on which the compound represented by Structural Formula 1 is supported;
상기 단계 (b-2)의 열처리가 50 내지 100℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀의 제조방법.17. The method of claim 16,
The method of manufacturing a photoelectrochemical cell, characterized in that the heat treatment of step (b-2) is performed at 50 to 100 ℃.
(2) 광조사 하에서 상기 포토어노드가 물을 산화하여 과산화수소(H2O2)를 제조하고, 상기 캐소드가 산소를 환원시켜 과산화수소를 제조하는 단계;를
포함하는 과산화수소 제조방법.(1) providing the photoelectrochemical cell of claim 1; and
(2) the photoanode oxidizes water under light irradiation to produce hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the cathode reduces oxygen to produce hydrogen peroxide;
A method for producing hydrogen peroxide comprising.
상기 산화와 환원이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.19. The method of claim 18,
Method for producing hydrogen peroxide, characterized in that the oxidation and reduction are performed simultaneously.
상기 광전기화학 셀이 태양에너지로부터 생성한 전기에너지로 과산화수소를 제조하는 것을 특징으로 하는 과산화수소의 제조방법.
19. The method of claim 18,
Method for producing hydrogen peroxide, characterized in that the photoelectrochemical cell produces hydrogen peroxide with electric energy generated from solar energy.
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