전기화학적 현미경을 주사하여 광전기화학적 수산화물 산화에 의해 생성된 국소 산소 플럭스 평가

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5019(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광양극의 국부적인 광전기화학 조사를 수행하기 위한 여러 현장 전기화학 접근법이 개발되었습니다. 기술 중 하나는 생성된 종의 국소적 이종 반응 동역학과 플럭스를 조사하는 주사 전기화학 현미경(SECM)입니다. 광촉매의 전통적인 SECM 분석에서 연구된 반응 속도에 대한 방사선의 영향을 평가하려면 추가적인 어두운 배경 실험이 필요합니다. 여기에서는 SECM과 도립 광학 현미경을 사용하여 광 구동 광전기 촉매 물 분해로 인한 O2 플럭스 측정을 보여줍니다. 광촉매 신호와 어두운 배경이 단일 SECM 이미지에 기록됩니다. 우리는 전착에 의해 적철광(α-Fe2O3)으로 개질된 인듐 주석 산화물 전극을 모델 샘플로 사용했습니다. 광 구동 산소 플럭스는 기판 생성/팁 수집 모드에서 기록된 SECM 이미지를 분석하여 계산됩니다. 광전기화학에서 산소 발생에 대한 정성적, 정량적 지식은 도펀트와 정공 제거제의 국지적 효과를 간단하고 전통적인 방식으로 이해할 수 있는 새로운 문을 열어줄 것입니다.

빛이 있는 상태에서 물 전기분해를 이용한 재생 에너지 생성의 경우 물 분해에 필요한 전기 에너지를 낮추기 위해 다양한 촉매가 시도되었습니다1,2. 수소 발생 반응(HER)을 수행할 때 전체 공정(물 분해) 속도는 종종 두 번째 전극에서 발생하는 공정 속도에 의해 제한됩니다. 따라서 광양극 효율은 필수적이다. 물의 산화는 물을 수소로 환원시키는 것보다 열역학적으로 더 어렵기 때문에 광양극에 대한 연구가 더욱 권장됩니다3. 감소된 과전위 및/또는 더 높은 광촉매 전류를 입증함으로써 변경되지 않거나 변형된 형태의 많은 유형의 물질이 효과적인 물 산화에 대해 평가되었습니다4,5,6. 전통적인 광전기화학 측정 외에도 물 분해 광양극의 효율적인 엔지니어링에는 신속한 현장 표면 특성화가 필요합니다.

현장 전기화학 기술 중 하나인 주사 전기화학 현미경(SECM)은 광양극 표면을 국부적으로 분석하는 데 활용되었습니다. SECM 기술을 개발하기 위해 특히 조명 방법에서 다양한 접근법이 사용되었습니다. 이는 분석된 광촉매의 넓은 영역을 조명하는 것부터 시작하여 SECM 분석 영역의 국부 조명에 이르기까지 높은 공간 및 시간 해상도로 간단하고 직접적인 표면 분석을 허용합니다. 레이저로 또는 SECM 팁을 광섬유로 사용합니다14. 초미세 전극을 사용하여 광활성 표면을 부분적으로 가리는 것과 제품 가스로 전해질을 쉽게 과포화시키는 것을 포함한 수많은 결함은 대규모 조명, 특히 상단에서 드러납니다. 특히 로컬 조명용 마이크로 전극을 사용하여 SECM 설정에 대한 다양한 업데이트가 이루어졌습니다. 국소 조명을 위한 동축 내부 광섬유가 있는 고리 모양의 미세 전극 설계는 전기화학적 이미징10,14,15의 해상도를 제한합니다. 또한 이 미세 전극 수정 방법은 시간이 걸리고 복잡한 제조 공정이 필요합니다. SECM 팁에 의한 그림자를 피하기 위해 SECM 분석 샘플의 국부 조명의 또 다른 방법은 미세 전극의 절연 유리 외장을 통해 빛을 전달하는 것입니다. 이 접근법을 사용하면 샘플에서 생성된 광촉매 반응의 생성물(예: O2)의 패러데이 수집에 해당하는 샘플 광전류와 팁 전류를 모두 측면 프로브 위치의 함수로 기록할 수 있습니다. 그러나 생성된 제품의 로컬 플럭스에 대한 정량적 정보를 검색하는 것은 어렵습니다. 산소 발생은 생성된 생성물의 흐름 형태로 광전기화학 공정에 대한 정량적 정보를 제공합니다. 따라서 광양극의 진정한 효율성을 이해하려면 방출된 산소를 개별적으로, 정량적으로 측정하는 것이 필수적입니다. SECM 팁 전극을 사용하면 O2 광생성을 질적, 양적으로 제공하는 광양극의 보다 간단한 표면 분석 방법이 필요합니다.