Morphology Controlled Synthesis of Nanostructured Cupric Oxide Electrodes for (Photo)Electrochemical Production of H₂ and NH₃
- 주제(키워드) water splitting , NOxRR , facile Pechini method , nanoparticle , hollow-sphere , hollow-tube , heterostructure
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 조인선
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032029
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
In this work, I successfully synthesized cupric Oxide (CuO) electrodes with three different morphologies: nanoparticle structure, hollow-sphere structure, and hollow-tube structure through the control of the molar ratio of ethylene glycol (EG) and citric acid (CA) via a facile sol-gel Pechini method. Moreover, the synthesized three CuO electrodes were successfully applied to the PEC water-splitting device and electrochemical NOx reduction reaction (electrochemical NOxRR). Three CuO electrodes were uniformly deposited on the FTO substrate using a spin coating technique. First, three CuO electrodes achieved a high photocurrent density under simulated sunlight illumination (100 mW/cm2): a nanoparticles (np-CuO) electrode: 5.44 mA/cm2, a hollow-sphere(hs-CuO) electrode: 3.52 mA/cm2, and a hollow-tubes (ht-CuO) electrode: 2.87 mA/cm2. The electrochemical NOxRR showed characteristics for each morphology. Faradaic efficiency (FE) and NH3 yield for NOxRR of the three CuO electrodes are as follows: np-CuO electrode has FE of 29 %, NH3 yield of 3.5 μmol/h∙cm2, hs-CuO electrode has FE of 28 %, NH3 yield of 2.4 μmol/h∙cm2, and ht-CuO electrode has FE of 27 %, and NH3 yield of 2.3 μmol/h∙cm2. As a result, the np-CuO showed the best activity for NoxRR. Finally, the 1D nanowire heterostructure composed of np-CuO and CuO NWs was synthesized by a two-step solution method (hydrothermal growth of CuO NWs and then deposition of np-CuO shell). These heterostructured nanowires (HNWs) showed greatly improved NOxRR activity compared to the NWs and np-CuO, achieving a FE of 88 % and NH3 yield of 0.33 mmol/h∙cm2. These results show that CuO, using the simple Pechini method used in this study, plays an important role in the morphological change in which the molar ratio of EG and CA, including active surface area, affects PEC water electrolysis and electrochemical NOxRR activity, and can be applied in various fields.
more초록/요약
본 연구에서는 에틸렌글리콜에틸렌글리콜(EG)과 시트르산시트르산(CA)의 몰비 변화를 하여 나노입자구조 (np-CuO), 속이 빈 구체 구조 (hs-CuO), 속이 빈 튜브 구조 (ht-CuO)의 3가지 다른 형태 를 가지 는 산화구리 전극을 손쉬운 Pechini 방법 로 합성하는데 성공하였습니다성공하였습니다. 합성된 세 개의 산화구리 전극은 광전기화학적 물 분할분할(PEC 물 분할분할) 및 전기화학적 NOx 환원반응반응(전기화학적 NOxRR)을 위해 사용되었습니다사용되었습니다. 스핀 코팅 기법을 사용하여 세 개의 산화구리 전극이 FTO 기판 위에 균일하게 증착되었습니다. 첫번째로 세 개의 산화구리 전극은 인공태양광 하에서 np-CuO 전극 은 5.44 mA/cm2, hs-CuO 전극 은 3.52 mA/cm2, ht-CuO 전극 은 은 2.87 mA/cm2 광전류 밀도를 달성하였습니다달성하였습니다. 또한 전기화학적 NOxRR은 형태별로 NOx RR의 특성을 나타냈습니다나타냈습니다. 세 개의 CuO 전극의 NOxRR에 대한 패러데이 효율효율(FE) 및 NH3 수율은 np-CuO 전극 의 FE가 29%, NH3 수율은 3.5 μμmol/h∙cm2, hs-CuO 전극 의 FE가 28%, NH3 수율은 2.4 μμmol/h∙cm2, ht-CuO 전극 의의 FE가 28%, NH3 수율은 23 μμmol/h∙cm2입니다. 따라서따라서, np-CuO는 높은 FE와 NH3 수율을 갖는 세 개의 CuO 전극 중 가장 우수하며우수하며, 형태학적 제어 효과를 나타냅니다나타냅니다. 마지막으로마지막으로, CuO 나노와이어와 가장 특성이 좋은 나노입자구조를 2단계 솔루션 방법 을 사용하여 헤테로구조 를 합성하였 으며으며, 88 % 0.33 mmol/h∙cm2의 FE 및 NH3 수율 을 크게 개선 하였습니다하였습니다. 이러한 결과는 본 연구에서 사용된 간단한 Pechini 방법 을 이용한 산화구리 가 EG와 CA의 몰비 에 따라 형 태가 변화하게 되며되며, 활성 표면적을 포함한 PEC 물분할과 전기화학적 NOxRR 활성에 중요한 역할을 하 고 다양한 분야에 적용이 가능하다는 것을 보여줍니다보여줍니다.
more목차
1. Introduction 1
1.1 Hydrogen energy (H2) 1
1.1.1 Green Hydrogen Production via Photoelectrochemical Cell 2
1.2 Ammonia production (NH3) 4
1.2.1 Ammonia production via Electrochemical Cell 4
1.3 (Photo)electrode materials 7
1.3.1 Representative (photo)electrode materials 7
1.3.2 Synthesis of material oxide 9
1.3.2 Cupric Oxide (CuO) 12
1.4 Research objective 13
2. Experimental 14
2.1 CuO electrodes synthesis using spin-coating 14
2.2 Synthesis of 1D NWs Heterostructure electrode 16
2.3 X-ray diffraction (XRD) 17
2.4 Scanning Electron Microscopy (SEM) 19
2.5 Transmission Electron Microscope (TEM) 20
2.6 Fourier transform infrared (FT-IR) 20
2.7 Thermal Gravimetric/Differential Scanning Calorimetry (TG/DSC) 21
2.8 UV-visible Spectroscopy (UV-vis) 21
2.9 (Photo)Electrochemical measurements 22
2.9.1 J-V, J-t curves 22
2.9.2 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 25
2.9.3 Mott–Schottky 26
2.9.4 Electrochemical Surface Area (ECSA) 26
2.9.5 Ammonia product analysis 27
3. Results and discussions 29
3.1 Morphology Control of Copper Oxide (CuO) electrodes 29
3.1.1 Pechini method Mechanism for Morphology Control 29
3.1.2 Morphology and crystal properties of CuO electrodes 33
3.1.3 Morphology and crystal properties of HNWs electrode 36
3.2 Hydrogen and Ammonia Production via Nanostructured CuO electrodes 37
3.2.1 Hydrogen (H2) production by PEC water-splitting 37
3.2.2 Ammonia (NH3) production by electrochemical nitrate reduction 43
4. Conclusion 47
5. Reference 48
