CNW–SiNW 계층형 광음극

계층적으로 분지된 광음극: Cu-증기 CVD(Cu-vapor-CVD-direct-CNW-growth)를 이용하여 MACE p-Si 나노와이어 위에 비정질 탄소 나노와이어(carbon-nanowire-CNW)를 직접 성장시킨 구조. 단일 단계의 전사(transfer) 불필요 공정은 별도의 그래핀 합성과 PMMA 전사를 요구하는 기존 그래핀-온-Si 광음극(논문 032, 035, 075, 099)에 비해 핵심적인 장점이다 (see Moon et al., Nanoscale (2018)).

조성

CNW 조성은 혼합 Si–C이다 (STEM-EDS, Fig. 2d–f; 1000 °C에서 Si 표면의 부분적 기화로 인해 Si가 탄소 내에 혼입됨).

성능 (최적 Step 3: 성장 30 min, CH₄/H₂ 15/50 sccm, 상압)

• 개시 전위 +0.37 V vs RHE @ −1 mA cm⁻² (bare SiNW 대비 +0.20 V; AM 1.5G, 1 M HClO₄, pH 0; see Moon et al., Nanoscale (2018), Table S₁; photocathode-onset-potential).
• ABPE 1.86% (Fig. 4b; solar-to-hydrogen-efficiency).
• 평탄대 전위 0.123 V vs RHE (Mott–Schottky, 암조건; bare SiNW의 0.040 V 대비; SI Fig. S5b).
• 30 h 경과 후 정규화 광전류 >89% 유지 (Fig. 6).

역할

silicon-nanowire-photocathode 골격 위에 carbon-nanowire-CNW를 Cu-증기 CVD로 성장시켜 제조한다. CNW는 이중 기능을 수행한다: HER 조촉매 및 Si 산화 방지 배리어 (XPS Si 2p, 30 h 후, SI Fig. S₇). 출처 문헌의 Table S₁에서 폴리도파민-CNS(paper_099) 및 이중층-그래핀(paper_075) 공정과 비교됨; ⚠ ABPE 값은 나노와이어 대 평면 기하 구조 간에 직접적인 순위 비교가 불가능하다.