N-doped 단층 그래핀 (NGr)

CVD 성장 단층 그래핀을 N₂-플라즈마(반응성 이온 식각기, 10 W, 120 mTorr, 14 s 최적 조건)로 처리하여 HER 촉매 사이트 및 Si 부동태화를 도입한 소재로, paper_032의 핵심 물질이며 PEC HER에 적용된 최초의 금속-비함유 탄소 촉매이다.

• XPS 분석에 따르면 피리딘형(398.5 eV), 피롤형(399.9 eV), 사차형(401 eV) 배위로 2.2 at% N이 도입되어 있으며, 라만 D-피크 및 2950 cm⁻¹의 D+G 밴드로 확인되는 풍부한 엣지/결함 사이트를 포함한다 (see Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Fig. 3a–b).
• Si 광음극 위의 HER 전기촉매: 유리질 탄소 RDE에서 J₀ = 7.29 × 10⁻⁶ A cm⁻² (비도핑 그래핀 대비 약 2.8배; 7.9 × 10⁻⁶ A cm⁻²의 나노입자상 MoS₂와 유사); RDE 개시 전위(5 mA cm⁻² 기준) = −0.26 V vs RHE (see Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Fig. 2b).
• 또한 Si 표면 산화를 차단하는 투명 등각 부동태화층으로 기능하여 중성 pH(6.8) 조건에서의 PEC 운전을 가능하게 한다.

동일한 층이 두 가지 독립적인 기능을 수행한다: N-doped-graphene-HER-catalysis를 통한 촉매 작용과 graphene-Si-surface-passivation를 통한 물리적 산화 방지 기능. 촉매-비함유 MACE silicon-nanowire-photocathode (paper_025, 동일한 제1저자 Uk Sim)와 병행되는 금속-비함유 Si HER 전략이다.

관련: CVD-비함유 N-도핑 탄소 조촉매 (paper_099, 2018)

같은 계보의 후속 논문 (An et al., Bull. Korean Chem. Soc. (2018), Uk Sim 공동 교신저자)은 CVD 없이 동등한 목표를 달성하였다: p-Si 위의 폴리도파민 유래 polydopamine-CNS는 V_os +0.21 V vs RHE (bare Si 대비 +0.38 V 이동) 및 ABPE 0.59%를 달성하였다. 본 논문(paper_032)의 NGr/Si 및 double-layer-graphene-photocathode (paper_075)의 2층 CVD 그래핀 ABPE 0.32%와 비교하면, 서로 다른 제조 경로를 통한 Si 위 N-도핑 탄소 조촉매 세 가지 사례에 해당한다.