p-type CuBi₂O₄ 박막 (PEC 광음극)

FTO 위에 플럭스 매개 원팟(one-pot) 금속-유기 분해(MOD) 용액 공정으로 증착된 치밀하고 화학양론적인 p형 CuBi₂O₄ 광음극 박막으로, 광전기화학(PEC) 수소 생산에 활용된다 (see Choi et al., Materials Letters (2017), PDF p.2–3).

개요

• 순수 다결정 CuBi₂O₄ (정방정계 P₄/ncc)이며, XRD로 확인됨 (see Choi et al., Materials Letters (2017), Fig. 1g, PDF p.3).
• 플럭스를 사용하지 않으면 불연속적인 ~250 nm 구형 입자로 증착되나, 0.5 mol% Li-flux-MOD 를 첨가하면 flux-mediated-complex-oxide-crystallization 를 통해 연속적인 치밀 박막 (~250 nm 두께, ~1 μm 결정립) 이 형성된다 (see Choi et al., Materials Letters (2017), Fig. 1c–f, PDF p.3).
• 모두 p형 특성을 나타냄 (Mott–Schottky 음의 기울기); 평탄대 전위 V_FB는 1.00–1.22 V vs Ag/AgCl; 전도대 하단이 물 환원 전위보다 더 음의 값을 가져 PEC H₂ 생산에 열역학적으로 적합함 (see Choi et al., Materials Letters (2017), Fig. 3b, PDF p.4).

동작 특성

3전극 PEC 셀 (0.5 M Na₂SO₄, pH 6, AM 1.5, 100 mW cm⁻²)에서 광음극으로 작동한다. 2 mol% 플럭스 조건에서 최적 광전류가 측정되었으며: 88 μA cm⁻² @ −0.2 V vs Ag/AgCl로, 기존 전기증착법(44–55 μA cm⁻²) 및 공침법(40 μA cm⁻²) 대비 벤치마크를 상회한다 (see Choi et al., Materials Letters (2017), Fig. 3d, PDF p.4–5; recorded in photoelectrochemical-current-density). 플럭스 첨가는 캐리어(정공) 밀도를 향상시킨다 — see hole-density-p-type.