에 대한 연구

고효율 수소발생 촉매를 위한 전자빔 조사 단일층 MoS2에 관한 연구. 본 논문은 석사논문으로 제출되었습니다. 박종우 석사논문 확정.

본 연구에서는 MOCVD(금속 유기 화학 기상 증착)를 사용하여 SiO2 기판 위에 대면적 ML(연속 단층막) MoS2 박막을 증착하고 전자빔에 노출시켰습니다. 이에, 수소 생성 반응에 필요한 활성점 밀도를 높일 수 있는지를 조사하였다. 전자빔 조사에 의해 결함이 발생하는지 여부를 조사하기 위해 광발광 및 라만 분광법을 사용하였고, 수소 생성 반응을 측정하기 위해 단층 MoS2 박막을 흑연 시트에 전사하여 전극을 만들었다. Tafel 기울기는 전기화학적 워크스테이션을 사용한 선형 I-V 측정을 통해 얻어졌습니다.

이러한 결과는 전자빔 조사에 의한 단면적당 활성점 밀도의 증가에 따른 것이다.

연구배경

연구목적

이론

이 방정식을 보면, 적절한 방법으로 과전압을 줄이는 것이 HER 반응의 효율을 높이는 주요 요인임을 알 수 있습니다. 첫 번째는 흡착 단계인 Volmer 단계(H++e- → Hads)로 양성자와 전자의 반응에 의해 전극 표면에 흡착된 수소 원자를 생성합니다. 따라서 Hades는 항상 그녀의 응답 중에 포함됩니다.

이때 ΔGH는 활성 부위에 대한 원자 수소 흡착 에너지로, 수소 생성 반응에 큰 영향을 미친다. 그러나 가격이 매우 비싸고 가공성이 좋지 않아 실제 공정에 활용하기는 어렵다. HER 전기촉매의 활성을 입증하기 위해 측정해야 하는 중요한 매개변수가 있습니다.

첫째, 순환전압전류법(CV)과 선형주사전압전류법(LSV)이 있는데, CV의 경우 다양한 인가전압에서 정상상태의 전류를 측정하여 촉매의 활성으로 활성점의 밀도를 확인할 수 있다. 일정한 시간. 5] LSV는 전극 면적에서 측정됩니다. 이상적인 전기촉매는 낮은 타펠 기울기와 높은 AC 전류 밀도를 갖습니다.

TOF는 촉매의 활성 부위에서 단위 시간당 수소로 전환되는 반응물의 수로 정의됩니다. 이는 본질적으로 전기촉매의 성능을 나타냅니다. TMDc(Transition Metal Dihalcogenide)의 특징과 유사하게 전이금속 Mo와 칼코겐 원자 S로 구성되어 있습니다.

MoS2의 2차원 결정층은 공유 전자쌍 상호작용에 의해 Mo 원자와 두 개의 S 원자로 이루어진 육각형 평면으로 구성됩니다. 촉매 활성은 ΔGH와 관련이 있습니다. 즉, 촉매와 반응물 사이의 상호작용 반응이 효과적으로 이루어지기 위해서는 ΔGH가 너무 강하지도 너무 약하지도 않아야 전기촉매의 가장 이상적인 조건을 충족할 수 있다.

실험과정

그런 다음 스핀 코팅된 샘플을 KOH 용액에 부드럽게 부유시키고 90℃로 가열합니다. MoS2 필름이 SiO2 기판에서 완전히 분리되면 DI 물로 청소합니다. MoS 필름을 옮긴 후 90°C에서 5분 동안 다시 건조시키고 아세톤으로 PMMA를 제거합니다.

외부 에너지원에 의해 여기된 전자와 정공이 함께 모일 때 광자가 생성됩니다. 이때 빛의 에너지를 분석하면 전자와 정공의 에너지 준위에 대한 정보를 얻을 수 있다. 라만의 경우 시료에 레이저를 조사하면 레이저와 같은 주파수의 산란광 외에 다른 주파수의 희미한 빛도 산란된다.

이를 통해 시료를 구성하는 분자의 진동 구조를 파악할 수 있습니다.

실험결과

• Photoluminescence, 라만 분광기 측정 분석
• Linear sweep 측정 및 Tafel slope 분석
• C-V (Cyclic Voltammetry) curve 측정 및 분석
• TOF(Turning Of Frequency) 측정 및 분석
• 임피던스 (Impedance) 측정 및 접촉저항 분석

이는 전자빔으로 처리된 MoS2의 HER 반응이 원래의 MoS2의 HER 반응보다 높았음을 나타냅니다. 최적화된 전기촉매는 낮은 타펠 기울기를 갖습니다. MoS2의 전기화학적 활성 표면적(ECSA)은 CDL 값으로 식별할 수 있습니다.

이를 통해 단위 면적당 활성 사이트의 밀도를 추정할 수 있습니다. 도 13은 모든 샘플에 대한 CDL 값을 나타낸 그래프이다. 5분 동안 조사한 MoS2의 활성점 밀도가 가장 높은 것을 확인할 수 있습니다.

따라서 전자빔을 처리하고 MoS2에 존재하는 활성 사이트의 활성을 확인하기 위해 TOF(H2 s-1)를 -0.4V 영역의 활성 사이트와 비교했습니다. CDL 값은 5분 처리한 시료에 비해 낮은 것으로 측정되었으나, TOF 값에서 활성 부위 활성이 더 높은 것으로 나타났으며, 이를 토대로 8분 20초 처리한 MoS2가 HER 효율이 가장 높았다 . 따라서 반응성이 가장 높은 8분 20초 샘플은 낮은 Rct 값으로 HER 반응을 가속화했습니다.

그리고 효율적인 HER 반응을 위해 전자빔에 노출되어 MoS2에 결함이 형성되었습니다. 이를 확인하기 위해 MoS2의 광학적, 구조적 특성을 비교 분석했습니다. MoS2의 광학적, 구조적 특성을 분석한 결과, 전자빔을 조사하면 S 공극 결함이 발생하여 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

HER의 효율을 높이기 위해 ML MoS2를 제작하고 이를 위한 e-beam을 연구하였다. ML MoS2의 활성 사이트 밀도를 높여 성능이 향상되었습니다. 물분해에 의한 전기촉매적 수소발생반응(HER)에 대한 연구 중, 현재 단층(ML) MoS2가 존재하는 비귀족 촉매를 대체할 2차원 물질에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

Chhowalla, Recent strategies for enhancing the catalytic activity of 2D TMD nanoplates towards the hydrogen evolution reaction, Adv. Zhang, 2D Transition Metal Dichalcogenide Nanoplate-Based Assemblies for Photocatalytic and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reactions, Adv.