MAPbI₃ 페로브스카이트 광촉매 (수용액 HI 분해)

하이브리드 유·무기 할라이드 페로브스카이트 CH₃NH₃PbI₃는 HI 분해를 위한 수용액 침전 분말 광촉매로 활용되며 — 할라이드 페로브스카이트의 최초 수용액 광촉매 적용 사례이다 (paper_069, Park et al., Nat. Energy (2016) 참조).

광전자적 특성

• 정방정계 결정; 광학적 밴드갭 1.53 eV (Kubelka–Munk; Park et al., Nat. Energy (2016), Fig. 3a, p. 3 참조).
• 밴드 끝단 (UPS He I): CB −0.6 V / VB +0.93 V vs NHE (Fig. 3b–c, p. 3–4) — 스핀 코팅 박막의 값과 일치함 (ref 42, 양의 일관성 검증).
• λ ≥ 475 nm 조건에서 포화 수용액 HI 내 2전자 HI 분해 (H₂ + I₃⁻) 촉매 반응을 수행함.
• 광수확 (리뷰 관점, paper_116): 가시광 전 영역을 흡수하며 흡수 끝단 ~700 nm (산화물 페로브스카이트의 ~200 nm, 산질화물의 ~600–650 nm 대비); 적색편이는 B-자리 s (Pb) – X-자리 p (I) 반결합 커플링에 의해 VBM이 상승하기 때문이다. 흡수 계수는 c-Si보다 한 차수 높으며 a-Si:H / GaAs와 유사하고, 캐리어 확산 길이는 37.3 µm로 GaAs에 필적한다 (Park et al., Current Opinion in Electrochemistry (2018), p. 101 참조).

  확산 길이 조건은 박막 값과 상이하다. 37.3 µm 수치는 리뷰에서 인용한 대형 결정립/단결정 값이며, 박막 태양전지 문헌에서는 스핀 코팅 다결정 박막에 대해 훨씬 짧은 전자/정공 확산 길이 ~475 nm가 보고된다. 이는 서로 모순이 아니라 상이한 시료 형태 (단결정 대 얇은 다결정 박막)에 해당하는 값이다.

• 페로브스카이트 계열 전체에 걸친 밴드갭/흡수 끝단 조정은 perovskite-band-structure-tuning 허용 인자 프레임워크에 의해 지배된다 (paper_116).

성능

• H₂ 발생 ~57 µmol g⁻¹ h⁻¹ (Pt 조촉매 + DMSO 어닐링; Park et al., Nat. Energy (2016), Fig. 5a, p. 5 참조) — photocatalytic-HER-rate 참조.
• 태양광 HI 분해 효율 0.81% (Methods, p. 7).
• Pb 독성 있음.

dynamic-equilibrium-perovskite-HI-splitting에 의해 수중에서 안정화됨.

HI 분해를 넘어선 응용 범위 (paper_116 리뷰)

paper_116 (Park et al., Current Opinion in Electrochemistry (2018))은 해당 소재의 범위를 HI 분해 이상으로 정립한 Nam 그룹 최초의 논문으로: 이후 제3자 연구로의 확장을 개괄하며, CO₂ 환원 (비양성자성 아세트산에틸 용매 내 CsPbBr₃ QD/GO, ~4 µmol g⁻¹ h⁻¹, CO/CH₄에 대한 >99% 전자 선택성; Fig. 4b), 유기합성 (FAPbBr₃/TiO₂ 선택적 벤질알코올 산화; Fig. 4c), 그리고 MAPbI₃/rGO HI 분해 복합체에서 14 mmol g⁻¹ h⁻¹ H₂ 달성 (순수 소재 대비 67×; Fig. 4a)을 다룬다 (Park et al., Current Opinion in Electrochemistry (2018), p. 103 참조).

메모리 소자 박막 형태와 구별된다. Paper_064는 MAPbI₃를 건식 스핀 코팅 저항 스위칭 박막 (MAPbI3-thin-film)으로 사용하지만, 여기서는 수용액 분말 광촉매로 사용된다. 형태, 공정, 역할이 상이하므로 별도로 분류한다.

복합체 성능 기준값 (paper_182 Perspective, 2021)

paper_182 Perspective (Park et al., J. Phys. Chem. Lett. (2021))는 원래의 성능 수치를 확인하고 복합체 기준값을 추가한다 (Fig. 2a): rGO 939 µmol g⁻¹ h⁻¹, TiO₂ 89×, MoS₂ STHI 7.35% (MHP-heterojunction-charge-extraction 경유), 그리고 헤테로계면 없는 bandgap-funnel-halide-gradient에서 2605 µmol g⁻¹ h⁻¹ 달성 — 모두 dynamic-equilibrium-perovskite-HI-splitting 프레임워크 내에서 이루어졌다. 광흡수가 아닌 전하 추출이 남은 병목으로 규명되었다 (최고 STHI 7.35% 대 >20% PV PCE).