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KR101598017B1 - Catalyst for hydrogen evolution reaction including n-doped graphene quantum sheet - Google Patents

Catalyst for hydrogen evolution reaction including n-doped graphene quantum sheet Download PDF

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KR101598017B1
KR101598017B1 KR1020140072257A KR20140072257A KR101598017B1 KR 101598017 B1 KR101598017 B1 KR 101598017B1 KR 1020140072257 A KR1020140072257 A KR 1020140072257A KR 20140072257 A KR20140072257 A KR 20140072257A KR 101598017 B1 KR101598017 B1 KR 101598017B1
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hydrogen
gqs
graphene quantum
catalyst
potential
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홍병희
남기태
문준희
심욱
안중현
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서울대학교산학협력단
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Abstract

화학기상증착법에 의하여 금속 촉매층 상에서 형성된 단층 그래핀에 질소 플라즈마를 인가함으로써 형성되는 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는 수소-생성 반응용 촉매를 제공한다.There is provided a catalyst for hydrogen-forming reaction comprising the N-doped graphene quantum sheet formed by applying a nitrogen plasma to a single-layer graphene formed on a metal catalyst layer by chemical vapor deposition.

Description

N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는 수소-생성 반응용 촉매{CATALYST FOR HYDROGEN EVOLUTION REACTION INCLUDING N-DOPED GRAPHENE QUANTUM SHEET}CATALYST FOR HYDROGEN EVOLUTION REACTION INCLUDING N-DOPED GRAPHENE QUANTUM SHEET <br> <br> <br> Patents - stay tuned to the technology CATALYST FOR HYDROGEN EVOLUTION REACTION INCLUDING N-DOPED GRAPHENE QUANTUM SHEET

본원은, N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는, 수소-생성 반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for hydrogen-forming reaction, comprising an N-doped graphene quantum sheet.

태양 에너지로부터 수소 생산은 중요한 에너지 및 환경적 이슈이다. 가장 많은 원소들 중 하나인, 실리콘은, 광전기화학적 수소 제조를 위한 캐소드(cathode)로서 폭넓게 연구되었다. 그러나, 물로부터 수소 제조를 위해 높은 과전압을 감소시켜 변환 효율을 향상시키기 위한 촉매가 필요하다. 탄소계 촉매들은 그것들의 낮은 비용 및 높은 안정성으로 인해 매력적인 후보이다. 그래핀 양자점(graphene quantum dots, GQD)은 이의 크기-의존성(size-dependent) 및 엣지-민감성(edge-sensitive) 광발광 특성 때문에 다양한 광전자 응용을 위한 우수한 잠재력을 나타낸다. 대한민국 등록특허 제10-1361132호에서는 그래핀 양자점의 제조방법에 대해 개시하고 있다. 종래, GQD는 주로 강산성 환경에서의 화학적 박리 또는 마스킹, 패터닝, 및 리프트-오프를 포함하는 다단계 리소그래피 방법에 의해 그래핀 옥사이드로부터 합성되었으며, 이는 실제 응용을 위한 고품질 GQD의 효율적인 제조를 방해하였다. 반면에, 질소-기능화 또는 도핑은 GQD의 고유한 특성을 조절하기에 매우 유용한 것으로 알려져 있으나, 더 복잡한 습식-화학 반응을 필요로 한다. 원자-두께의 GQD는 그래핀 양자 시트(graphene quantum sheet, GQS)라고 불려질 수 있으며, 이는 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 또는 탄소 섬유(carbon fiber)로부터 수득된 GQD에 비하여, 단층 그래핀으로부터 유도된 더 강한 양자 효과를 나타낼 것으로 예상된다.Hydrogen production from solar energy is an important energy and environmental issue. Silicon, one of the largest elements, has been extensively studied as a cathode for the production of photoelectrochemical hydrogen. However, there is a need for a catalyst to improve conversion efficiency by reducing high overvoltage for the production of hydrogen from water. Carbon-based catalysts are attractive candidates due to their low cost and high stability. Graphene quantum dots (GQD) exhibit excellent potential for a variety of optoelectronic applications due to their size-dependent and edge-sensitive photoluminescence properties. Korean Patent No. 10-1361132 discloses a method for producing graphene quantum dots. Traditionally, GQD has been synthesized from graphene oxide by a multistage lithographic method, including chemical stripping or masking, patterning, and lift-off, in strongly acidic environments, which hindered the efficient production of high quality GQD for practical applications. On the other hand, nitrogen-functionalization or doping is known to be very useful for controlling the intrinsic properties of GQD, but requires more complex wet-chemical reactions. An atom-thick GQD can be called a graphene quantum sheet (GQS), which is much smaller than the GQD obtained from graphene oxide (GO) or carbon fiber Are expected to exhibit stronger quantum effects induced.

효과적 촉매의 발견은 광전기화학적 수소 제조의 구현을 위한 가장 중요한 난제들 중 하나이다. 광전기화학적 전지(photoelectrochemical cell, PEC)에서 우수한 촉매들을 위한 중요한 조건은 화학 반응의 동역학을 높일 수 있는 능력뿐만 아니라 전기화학적 및 광유도 분해에 대한 내성 역시 중요한 조건이다. 일반적으로, 백금과 같은 귀금속들은, 이러한 요구들에 있어서 우수한 성능을 나타낸다. 그러나, 귀금속들은 고가이기 때문에 경제적 측면에서의 단점이 있다. 따라서, 효율적이고, 내구력이 있으며, 저렴한 대체 촉매들의 집중적인 개발이 이루어지고 있다. The discovery of effective catalysts is one of the most important challenges for the implementation of photoelectrochemical hydrogen production. Important conditions for good catalysts in photoelectrochemical cells (PEC) are not only the ability to increase the kinetics of chemical reactions, but also the resistance to electrochemical and mineral oil degradation. In general, noble metals such as platinum exhibit excellent performance in these demands. However, since precious metals are expensive, they have disadvantages in terms of economy. Thus, intensive development of efficient, durable, and inexpensive alternative catalysts is being made.

PEC는 장기적으로 수소 연료를 생산하기 위한 가장 유망한 시스템이다. PEC는 흡수된 광자와 함께 전자-정공 쌍들을 발생시키고 반도체-전도성 접촉 경계면으로 전하이동을 촉진하는 반도체 광전극들을 요구한다. 전하 이동의 동역학을 향상시키기 위해, 불균일 촉매들이 반도체의 표면에 첨가된다. 고효율 촉매들을 개발하기 위한 많은 시도들이 한정된 성공을 거뒀다. 낮은 과전압과 pH 7 에서 작용하는 풍부한 촉매의 개발은 여전한 도전과제이다. PEC에서, 촉매들의 부정적인 영향들이 고려되어야 한다: (1) 도포된 촉매에 의한 반사, (2) 쇼트키 장벽(Schottky barrier)과 같은 불리한 밴드구조, (3) 광부식(photocorrosion), 및 (4) 접촉 경계면에서의 재조합 부위들. PEC is the most promising system for producing hydrogen fuel in the long run. The PEC requires semiconductor photoelectrodes to generate electron-hole pairs with absorbed photons and to promote charge transfer to the semiconductor-conductive contact interface. In order to improve the dynamics of charge transport, heterogeneous catalysts are added to the surface of the semiconductor. Many attempts to develop high-efficiency catalysts have achieved limited success. The development of abundant catalysts operating at low overvoltage and pH 7 is a challenge. In PEC, the negative effects of catalysts have to be considered: (1) reflection by the applied catalyst, (2) disadvantageous band structures such as the Schottky barrier, (3) photocorrosion, and Recombination sites at the contact interface.

탄소계 촉매들의 디자인(개발)은 비-귀금속이고, 환경친화적이며, 부식 저항력이 있는 촉매들을 조사하는데 있어서 중요한 연구 방향을 제시한다. 특히, 그래핀은 우수한 투광도 및 뛰어난 진성 캐리어(intrinsic carrier) 이동도(mobility)를 가지고 있다: 그렇기 때문에 촉매로서 그래핀을 이용하기 위한 다양한 시도들이 있었다. 촉매 활성물질들을 포함하는 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, rGO)은 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER), 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER), 및 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)에서 향상된 활성을 보여주었다는 것이 보고되었다. 그러나, 대부분의 경우들에서, 탄소 재료들의 역할은 전기 전도성 기재 또는 다른 가식된(decorated) 활성 촉매들의 성능을 향상시키는 지지체로 제한된다. 탄소계 촉매는 신재생 에너지 기술들에서 낮은 가격 및 높은 안정성 때문에 주목 받고 있지만, 그것들의 불충분한 활성은 여전히 어려운 문제이다. The design (development) of carbon-based catalysts presents important research directions for investigating non-noble metal, environmentally friendly, and corrosion resistant catalysts. In particular, graphene has excellent light transmittance and excellent intrinsic carrier mobility: therefore, there have been various attempts to use graphene as a catalyst. Reduced graphene oxide (rGO), which contains catalytically active materials, can be produced by hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and oxygen reduction reaction Lt; / RTI &gt; (ORR). In most cases, however, the role of the carbon materials is limited to supports that improve the performance of electrically conductive substrates or other decorated active catalysts. Carbon-based catalysts are attracting attention due to their low cost and high stability in renewable energy technologies, but their inadequate activity is still a difficult problem.

본원은 N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는 수소-생성 반응용 촉매를 제공하고자 한다.The present application is intended to provide a catalyst for a hydrogen-forming reaction comprising an N-doped graphene quantum sheet.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 일 측면은, 화학기상증착법에 의하여 금속 촉매층 상에서 형성된 단층 그래핀에 질소 플라즈마를 인가함으로써 형성되는 N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는, 수소-생성 반응용 촉매를 제공한다.One aspect of the present invention provides a catalyst for hydrogen-forming reaction comprising an N-doped graphene quantum sheet formed by applying a nitrogen plasma to a single-layer graphene formed on a metal catalyst layer by chemical vapor deposition.

본원의 일 구현예에 의하면, N-도핑된 그래핀 양자 시트는 수소 생산을 위한 촉매로서 작용하며, 과전압, 전류 밀도, 및 장기 안정성의 측면에서 다른 탄소 촉매보다 더 우수하다는 것을 보여준다. 결함 및 불순물 제어를 통해 N-도핑된 그래핀 양자 시트에서 촉매 활성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 결과들은 다양한 에너지 변환 시스템들에서 다른 전기화학적 반응들을 위한 그래핀 촉매의 사용으로 적용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet acts as a catalyst for hydrogen production and is superior to other carbon catalysts in terms of overvoltage, current density, and long-term stability. Through defect and impurity control, the catalytic activity can be improved in the N-doped graphene quantum sheet. Moreover, these results can be applied to the use of a graphene catalyst for different electrochemical reactions in various energy conversion systems.

본원의 일 구현예에 의하면, 그래핀 양자 시트는 Si-광전극에서 태양광-유도 수소 발생 반응을 위한 촉매로서 사용될 수 있고, 그것들의 촉매 활성은 N2 분위기에서 플라즈마 처리에 의해 증폭될 수 있다. 상기 플라즈마 처리는, 그래핀 양자 시트에서 촉매 부위로서 작용할 수 있는, 그래핀 양자 시트의 구조 내로 풍부한 결함들(defects) 및 질소 원자들의 혼합을 유도한다. 질소 불순물을 포함하는 상기 그래핀 양자 시트는 교환 전류 밀도에 있어서 현저한 증가를 나타내며, 상기 Si-광전극으로부터 광전류의 온셋(onset)의 현저한 애노딕(anodic) 변위를 유도한다. 추가적으로, 그래핀 양자 시트는 Si의 표면 산화를 억제하는 부동화 효과(passivation effect)를 보여줌으로써, 중성수에서 상기 Si-광전극의 작동을 가능하게 한다. 본원은 그래핀 양자 시트 자체가 광전기화학 시스템에서 우수한 활성 및 화학적 안정성을 가진 촉매로서 적용될 수 있다는 것을 보여준다.According to one embodiment of the present invention, graphene quantum sheets can be used as catalysts for the photovoltaic-induced hydrogen generation reaction in Si-photoelectrodes, and their catalytic activity can be amplified by plasma treatment in an N 2 atmosphere . The plasma treatment induces abundant defects and mixing of nitrogen atoms into the structure of the graphene quantum sheet, which can act as a catalyst site in the graphene quantum sheet. The graphene quantum sheet containing nitrogen impurities exhibits a significant increase in exchange current density and induces a significant anodic displacement of the photocurrent onset from the Si-photoelectrode. In addition, the graphene quantum sheet shows the passivation effect of suppressing the surface oxidation of Si, thereby enabling operation of the Si-photoelectrode in neutral water. The present application shows that the graphene quantum sheet itself can be applied as a catalyst with good activity and chemical stability in photoelectrochemical systems.

본원의 일 구현예에 의하면, 태양광-유도 물-분해(water splitting)을 통한 수소 연료 제조에 대하여 높은 효율 및 내성을 가지는 무금속(metal-free) 탄소계 촉매들을 개발할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, metal-free carbon-based catalysts with high efficiency and resistance to hydrogen fuel production through solar-water splitting can be developed.

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, Gr(graphene) 및 N-GQS(N-doped graphene quantum sheet)가 증착되고 소량으로 붕소 도핑된 p-Si 전극에 대한 (a)광전류 밀도-포텐셜(J-E) 곡선, 및 암(dark) 상태 하에서 비소(arsenic)로 다량 도핑된 n+ 타입 Si 전극들 상의 Gr 및 N-GQS의 (b)편광(polarization) 곡선이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 유리질 탄소(Glassy Carbon, GC) 전극 상의 Gr의 전기화학적 활성을 나타내는 (a)CV(cyclic voltammetry) 곡선 및 (b)타펠 플롯이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a)pH 0 및 (b)pH 6.8에서의 Si 광전극의 CV이고, (c)광전극들의 대시간전류법 작동이며, J init 는 대시간전류법(chronoamperometry) 작동에서의 초기 전류 밀도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a)Si PEC 전지 실험을 위한 Pt 호일 및 (b)RDE(rotating disk electrode) 실험을 위한 상대전극으로서 Pt 와이어를 사용하는 Ag/AgCl 기준전극에 대하여 인가된 포텐셜이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 순수(bare) 유리질 탄소(GC), GC 상의 Gr, 및 GC 상의 N-GQS의 저항에 대한 임피던스 분광 분석이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, x-축에 대한 외삽(extrapolation)에 의해 계산된 교환전류 밀도의 로그 값이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, Pt 용액의 양의 변화에 따른 N-GQS-Si 광전극의 광전기화학적 성능에 대한 (a) 편광 곡선 및 (b) 상기 편광 곡선들로부터의 대표적 데이터이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 순수 Si(흑색선), Gr-Si(적색선), N-GQS-Si(청색선) 전극들의 온셋 포텐셜(onset potential)의 변화이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) pH 0 (1 M HClO4) 및 (b) pH 6.8(0.6 M NaH2PO4 및 0.4 M Na2HPO4) 각각에서 시간의 증가에 따른 전극들의 0 V (vs. RHE)에서 광전류 밀도의 변화이며, pH 0에서, N-GQS-Si 전극은, 수소 버블이 갑자기 터져버릴 때까지 소수성 표면에 달라붙어 있기 때문에 대시간전류법 테스트 동안 뾰족뾰족한 플롯(spiky plot)을 나타낸다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) pH 0, (b) pH 3.8, 및 (c) pH 6.8 에서 0.05 V/sec의 스캔 속도를 이용하여 300 사이클 동안 Si 광전극들의 CV 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, pH 3.8에서 광전극들의 대시간전류법 테스트이다. (a) 시간 증가에 따른 광전류 밀도 변화 및 (b) 시간 증가에 따른 정규화된 광전류 밀도(J/ J init )의 변화를 나타낸다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, pH 6.8에서 광전극들의 대시간전류법 테스트이며, (a) 시간 증가에 따른 광전류 밀도 변화 및 (b) 시간 증가에 따른 정규화된 광전류 밀도(J/ J init )의 변화를 나타낸다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 순수 Si 및 (b) 다공성 Si의 SEM 이미지, (c) 광전류 밀도-포텐셜(J-E) 곡선, 및 (d) N-GQS의 전기촉매적 활성을 나타낸 것이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, N-GQS/Si에 따른 광전극 수소 생성 반응에 대한 (a) 개략도 및 (b) 사진이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, RDE 시스템을 이용한 GC 상에서 N-GQS의 전기화학적 활성을 나타낸 그래프이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, Gr 및 N-GQS의 N 1s 피크 (a) 라만 스펙트럼 및 (b) 고해상도 XPS 스펙트럼이고, (b) 내의 삽입도는 N-GQS의 개략도를 나타내며, 또한, (c) 대시간전류법 테스트 이전 및 (d) 대시간전류법 테스트 이후의 각 샘플의 XPS 스펙트럼이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 노출 시간에 따른 (a) 단층 Gr 및 (b) N-GQS의 AFM 이미지, 및 (c) 상기 샘플들의 라만 스펙트럼이고, 각 이미지는 AFM에 의해 측정된 동일 영역을 찍은 것이며, 상기 이미지들은 모두 6.5 × 6.5 μm2의 크기를 가진다.
Figure 1 is a graph of the photocurrent density versus potential for a p-Si electrode deposited with Gr (graphene) and N-doped graphene quantum sheet (N-GQS) (B) polarization curve of Gr and N-GQS on n + -type Si electrodes heavily doped with arsenic under a dark and JE curve.
FIG. 2 is (a) a CV (cyclic voltammetry) curve and (b) a Tafel plot showing the electrochemical activity of Gr on a glassy carbon (GC) electrode in one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graphical representation of the relationship between the CV of the Si photoelectrode at (a) pH 0 and (b) pH 6.8, and (c) J init Is the initial current density in a chronoamperometry operation.
FIG. 4 is a graph showing the results of a comparison of the Ag / AgCl reference electrode using a Pt wire as a counter electrode for (a) Pt foil for Si PEC battery test and (b) RDE (rotating disk electrode) Lt; / RTI &gt;
Figure 5 is an impedance spectroscopy analysis for the resistance of bare vitreous carbon (GC), Gr on GC, and N-GQS on GC, in one embodiment of the invention.
FIG. 6 is a log of the exchange current density calculated by extrapolation to the x-axis in one embodiment of the invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between (a) polarization curves for the photoelectrochemical performance of the N-GQS-Si photoelectrode with varying amounts of Pt solution and (b) representative data from the polarization curves to be.
8 is a variation of the onset potential of pure Si (black line), Gr-Si (red line), N-GQS-Si (blue line) electrodes in one embodiment of the invention.
Figure 9 shows that in one embodiment of the invention, the increase in time in (a) pH 0 (1 M HClO 4 ) and (b) pH 6.8 (0.6 M NaH 2 PO 4 and 0.4 M Na 2 HPO 4 ) At pH 0, the N-GQS-Si electrode is a change in photocurrent density at 0 V (vs. RHE) of the electrodes according to the present invention, and because the N-GQS-Si electrode stuck to the hydrophobic surface until the hydrogen bubble suddenly bursts, Shows a spiky plot.
Figure 10 shows the CV results of Si photoelectrodes for 300 cycles using (a) pH 0, (b) pH 3.8, and (c) a scan rate of 0.05 V / sec at pH 6.8 FIG.
11 is a large time current test of photoelectrodes at pH 3.8 in one embodiment of the present invention. (a) change in photocurrent density with time and (b) change in normalized photocurrent density with time ( J / J init ).
12 is a large time current test of photoelectrodes at pH 6.8 in an embodiment of the present invention, wherein (a) the change in photocurrent density with increasing time and (b) the normalized photocurrent density with increasing time ( J / J init ).
13 shows, in one embodiment of the present invention, an SEM image of (a) pure Si and (b) porous Si, (c) a photocurrent density- potential ( JE ) curve, and (d) Activity.
14 is a schematic view and a photograph of (b) of a photoelectrode hydrogen generation reaction according to N-GQS / Si in one embodiment of the present invention.
15 is a graph showing the electrochemical activity of N-GQS on GC using an RDE system in one embodiment of the present invention.
16 is a graph showing the N 1s peak (a) Raman spectra of Gr and N-GQS and (b) the high resolution XPS spectrum of Gr and N-GQS, It is also the XPS spectrum of each sample before (c) before the large time current method test and (d) after the time current method test.
FIG. 17 is a graph of an AFM image of (a) a single layer Gr and (b) an N-GQS, and (c) a Raman spectrum of the samples, according to the exposure time, And the images all have a size of 6.5 x 6.5 μm 2 .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms "about," " substantially, "and the like are used herein to refer to or approximate the numerical value of manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the mentioned disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The term &quot; step &quot; or &quot; step of ~ &quot; as used throughout the specification does not imply &quot; step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다. Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

본원 명세서 전체에서, "양자점(quantum dot)" 이라는 용어는 양자 구속효과에 의하여 밴드갭을 가지는 나노크기의 물질을 의미한다.Throughout this specification, the term "quantum dot" refers to a nanosized material having a bandgap due to the quantum confinement effect.

본원 명세서 전체에서, 그래핀 양자 시트(graphene quantum sheet, GQS)라는 용어는 단층 그래핀으로부터 제조되어 원자-두께의 그래핀 양자점(graphene quantum dot, GQD)을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.Throughout this specification, the term graphene quantum sheet (GQS) may refer to an atom-thick graphene quantum dot (GQD) made from a single-layer graphene, but is not limited thereto .

본원 명세서 전체에서, N2 플라즈마 처리된 그래핀 양자 시트(N-GQS)는 질소 플라즈마 처리의 시간에 따라 N2 플라즈마 처리된 그래핀(N2-plasma-treated graphene, NGr)을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
Throughout the present specification, N 2 plasma treatment the graphene sheet both (N-GQS) will be to sense the graphene (N 2 -plasma-treated graphene, NGr) the N 2 plasma treatment according to the time of the nitrogen plasma treatment However, the present invention is not limited thereto.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 화학기상증착법에 의하여 금속 촉매층 상에서 형성된 단층 그래핀에 질소 플라즈마를 인가함으로써 형성되는 N-도핑된 그래핀 양자 시트를 포함하는, 수소-생성 반응용 촉매를 제공한다.The first aspect of the present application provides a catalyst for hydrogen-forming reaction comprising an N-doped graphene quantum sheet formed by applying a nitrogen plasma to a single-layer graphene formed on a metal catalyst layer by chemical vapor deposition.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal catalyst layer comprises at least one metal selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, But are not limited to, those selected from the group consisting of brass, bronze, stainless steel, Ge, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 기재(substrate) 상에 형성된 금속 촉매층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal catalyst layer may include, but not limited to, a metal catalyst layer formed on a substrate.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학기상증착법은 탄소 소스를 공급하여 반응시킴으로써 상기 촉매층 상에서 그래핀을 성장시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 탄소 소스는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the chemical vapor deposition method may include, but not limited to, growing a graphene on the catalyst layer by supplying a carbon source and reacting. For example, the carbon source may be selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, But the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소 소스는 기상 또는 액상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon source may be gaseous or liquid, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 화학기상증착법은 약 400℃ 내지 약 1,100℃의 온도에서 가열한 후, 결과물을 냉각시키는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 온도는 약 400℃ 내지 약 500℃, 약 400℃ 내지 약 600℃, 약 400℃ 내지 약 700℃, 약 400℃ 내지 약 800℃, 약 400℃ 내지 약 900℃, 약 400℃ 내지 약 1,000℃, 약 400℃ 내지 약 1,100℃, 약 500℃ 내지 약 600℃, 약 500℃ 내지 약 700℃, 약 500℃ 내지 약 800℃, 약 500℃ 내지 약 900℃, 약 500℃ 내지 약 1,000℃, 약 500℃ 내지 약 1,100℃, 약 600℃ 내지 약 700℃, 약 600℃ 내지 약 800℃, 약 600℃ 내지 약 900℃, 약 600℃ 내지 약 1,000℃, 약 600℃ 내지 약 1,100℃, 약 700℃ 내지 약 800℃, 약 700℃ 내지 약 900℃, 약 700℃ 내지 약 1,000℃, 약 700℃ 내지 약 1,100℃, 약 800℃ 내지 약 900℃, 약 800℃ 내지 약 1,000℃, 약 800℃ 내지 약 1,100℃, 약 900℃ 내지 약 1,000℃, 약 900℃ 내지 약 1,100℃, 또는 약 1,000℃ 내지 약 1,100℃ 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the graphene may include, but is not limited to, heating the chemical vapor deposition process at a temperature of from about 400 DEG C to about 1,100 DEG C, and then cooling the resultant. For example, the temperature may range from about 400 ° C to about 500 ° C, from about 400 ° C to about 600 ° C, from about 400 ° C to about 700 ° C, from about 400 ° C to about 800 ° C, From about 500 ° C to about 700 ° C, from about 500 ° C to about 800 ° C, from about 500 ° C to about 900 ° C, from about 500 ° C to about 900 ° C, from about 400 ° C to about 1,100 ° C, From about 600 ° C to about 1000 ° C, from about 500 ° C to about 1,100 ° C, from about 600 ° C to about 700 ° C, from about 600 ° C to about 800 ° C, from about 600 ° C to about 900 ° C, About 700 ° C to about 900 ° C, about 700 ° C to about 900 ° C, about 700 ° C to about 1,000 ° C, about 700 ° C to about 1,100 ° C, about 800 ° C to about 900 ° C, From about 800 占 폚 to about 1,100 占 폚, from about 900 占 폚 to about 1,000 占 폚, from about 900 占 폚 to about 1,100 占 폚, or from about 1,000 占 폚 to about 1,100 占 폚.

본원의 일 구현예에 있어서, N-도핑된 그래핀 양자 시트는 상기 질소 플라즈마를 인가함으로써 상기 단층 그래핀에 결함(defect) 형성과 N-도핑이 증가되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the N-doped graphene quantum sheet may be, but not limited to, increased defect formation and N-doping in the single-layer graphene by applying the nitrogen plasma .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 화학기상증착법에 의하여 금속 촉매층 상에서 형성된 단층 그래핀에 질소 플라즈마를 인가함으로써 형성되어 증가된 결함(defect) 부위와 증가된 N-도핑양을 함유하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet is formed by applying a nitrogen plasma to a single-layer graphene formed on a metal catalyst layer by chemical vapor deposition to form an increased defect portion and an increased N- But may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 N-도핑양을 포함함으로써, 전류 밀도 증가 및 광전극으로부터 광전류 온셋의 현저한 애노딕 변위 유도를 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet may include an N-doped amount to induce a significant current density increase and a significant anodic displacement of the photocurrent onset from the photoelectrode, .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 과전압을 감소시켜 광전기화학을 통한 수소-생성 반응의 효율을 증가시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet may increase the efficiency of the hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry by reducing the overvoltage, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 결함 부위 및 N-도핑양은 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트의 촉매 활성을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the defect sites and the N-doped amount may improve the catalytic activity of the N-doped graphene quantum sheet, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 광촉매로서 광전기화학 또는 전기화학을 통한 수소-생성 반응에 대한 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet may have activity against a hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry or electrochemistry as a photocatalyst, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광촉매는 중성 조건에서 광전기화학 또는 전기화학을 통한 수소-생성 반응(예를 들어, 물-분해 반응을 통한 수소 생성)에 대한 활성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photocatalyst may have activity against hydrogen-forming reaction (for example, hydrogen generation through water-decomposing reaction) through photoelectrochemistry or electrochemistry under neutral condition, .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 과전압을 감소시켜 광전기화학을 통한 수소-생성 반응의 효율을 증가시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet may increase the efficiency of the hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry by reducing the overvoltage, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트는 광전기화학을 통한 수소-생성 반응에 사용되는 광전극의 표면에 전사되어 상기 광전극의 표면 산화를 방지 또는 감소시킴으로써 상기 광전극의 안정성을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the N-doped graphene quantum sheet is transferred to the surface of a photoelectrode used for a hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry to prevent or reduce surface oxidation of the photoelectrode, But the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 Si를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photoelectrode may include Si but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 고분자를 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트 상에 스핀-코팅된 것일 수 있으나, 상기 PMMA는 아세톤과 같은 유기 용매에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photoelectrode may be spin-coated with a polymer such as poly (methyl methacrylate) (PMMA) on the N-doped graphene quantum sheet, But it may be, but not limited to, removed by the same organic solvent.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 PMMA와 같은 고분자가 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트 상에 스핀-코팅 된 다음, 에천트에 의해 촉매층이 제거되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 에천트는 과황산암모늄[(NH4)2S2O8], 벤즈이미다졸(benzimidazole, BI), 산(acid), 버퍼 산화물 에천트(buffered oxide etchant, BOE), Fe(NO3)3, 염화철(Iron(III) Chloride, FeCl3), CuCl2, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 구현예에 있어서, 상기 산은 유기산 또는 무기산을 포함할 수 있으며, 예를 들어, HF와 같은 불소-함유 산을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment, the photoelectrode may comprise spin-coating a polymer such as PMMA onto the N-doped graphene quantum sheet and then removing the catalyst layer by an etchant, . For example, the etchant of ammonium persulfate [(NH 4) 2 S 2 O 8], benzimidazole (benzimidazole, BI), acid (acid), an etchant (buffered oxide etchant, BOE) in a buffer oxide, Fe ( NO 3 ) 3 , Iron (III) Chloride, FeCl 3 , CuCl 2 , and combinations thereof. In other embodiments, the acid may comprise an organic or inorganic acid, for example, but not exclusively, a fluorine-containing acid such as HF.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광촉매는 다른 광전극 기재(예를 들어, Si) 상에 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트가 전사된 후 상기 PMMA가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the photocatalyst may be such that the PMMA is removed after the N-doped graphene quantum sheet is transferred onto another photoelectrode substrate (for example, Si), but the present invention is not limited thereto no.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 상기 PMMA 없이 금속층을 제거한 후 떠있는 상기 N-도핑된 그래핀 양자 시트의 용매 추출 기술을 이용하여 임의의 기재상에 전사시키기 위하여 일반적인 유기 용매에 분산시키는 것을 추가 포함할 수 있을 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photoelectrode is dispersed in a common organic solvent to remove the metal layer without the PMMA and then transferred onto a substrate using the solvent extraction technique of the floating N-doped graphene quantum sheet , But may not be limited thereto.

상기 유기 용매는 일반적으로 사용되는 유기 용매로서 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸부틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브, 에틸에테르, 디옥산, 테트라히드로부탄, 초산메틸, 초산에틸, 초산프로필, 초산이소프로필, 초산부틸, 초산이소부틸, 초산펜틸, 초산이소펜틸, 부탄올, 2-부탄올, 이소부틸알코올, 이소프로필알코올, 디클로로메탄, 클로로포름, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 클로로벤젠, 오르소-디클로로벤젠, n-헥산, 시클로로헥사놀, 메틸시클로로헥사놀, 벤젠, 톨루엔, 및 크실렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
The organic solvent is not particularly limited and includes, for example, acetone, methyl ethyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, Butanol, 2-butanol, isobutanol, isobutyl acetate, isobutanol, isobutyl acetate, isobutyl acetate, isobutyl acetate, isobutyl acetate, , Isobutyl alcohol, isopropyl alcohol, dichloromethane, chloroform, dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, dichloroethylene, trichlorethylene, tetrachlorethylene, chlorobenzene, ortho-dichlorobenzene, n- And may include at least one member selected from the group consisting of hexanol, methylcyclohexanol, benzene, toluene, and xylene, There can not be.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are given for the purpose of helping understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the following Examples.

[[ 실시예Example ]]

[[ 실시예Example 1] One]

N-N- 도핑된Doped 그래핀Grapina 양자 시트의 합성 Synthesis of quantum sheets

단층 그래핀이 화학기상증착법(CVD)에 의해 Cu 호일(foil) 상에 성장된 다음, SiO2 표면으로 전사되었다. 그래핀 합성의 첫 번째 단계에서, 구리 호일이 CVD 시스템에서 쿼츠(quartz) 반응기 내로 위치된 다음, 70 mTorr에서 H2를 흘려주면서 1,000℃에서 가열되었다. 추가적으로, 상기 샘플은 조건의 변화 없이 20 분간 어닐링되었다. H2 및 CH4의 혼합 기체가 8 Torr 하에서 30 분 동안 5 SCCM 및 50 SCCM의 비율로 주입되었다. 마지막으로, 상기 샘플은 H2를 흘려주면서 실온으로 빠르게 냉각되었다. 성장 후, Cu 호일의 일측 상의 그래핀을 제거하기 위해, Cu 상의 그래핀을 플라즈마 챔버(SNTEK) 내에 넣었다. 상기 챔버의 압력은 50 mTorr까지 펌프되어 하강되었고, O2 기체는 10 초 동안 100 W의 라디오-주파수(13.56 MHz) 입사 전력(forward power)을 인가함으로써 상기 챔버 내로 주입되었다. 또한, 상기 Cu의 전면 상의 결함(vacancy) 부위 및 N-도핑된 그래핀 양자 시트를 만들기 위해, 저밀도 N2-플라즈마가 10 W 전력을 인가함으로써 생성되었다. N2 의 유량은 20 SCCM이었고, 챔버의 작동 압력은 120 mTorr이었다. 상기 조건들 하에서, 상기 플라즈마 처리는 그래핀 표면의 전기화학적 반응을 테스트하기 위해 0 초 내지 16 초의 N2 플라즈마에 대한 다양한 노출 시간들을 이용하여 수행되었다. 마지막으로, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)가 상기 그래핀 상에 스핀-코팅(spin-coated)되었고, 그 다음 상기 구리 호일이 0.1 M 과황산암모늄 용액 중에서 제거되었다. 탈이온수로 세척된 후, 상기 그래핀이 Si 기재 상에 전사된 다음, PMMA는 30 분 동안 아세톤에서 제거되었다.
Single layer graphenes were grown on Cu foil by chemical vapor deposition (CVD) and then transferred to the SiO 2 surface. In the first step of graphene synthesis, a copper foil was placed in a quartz reactor in a CVD system and then heated at 1,000 DEG C with H 2 flowing at 70 mTorr. Additionally, the sample was annealed for 20 minutes without changing the conditions. A mixed gas of H 2 and CH 4 was injected at a rate of 5 SCCM and 50 SCCM for 30 minutes at 8 Torr. Finally, the sample was rapidly cooled to room temperature while flowing H 2 . After growth, graphene on Cu was placed in a plasma chamber (SNTEK) to remove graphene on one side of the Cu foil. Pressure in the chamber was lowered to the pump 50 mTorr, O 2 gas of 100 W for 10 seconds radio - by applying a frequency (13.56 MHz) power incident (forward power) was injected into the chamber. A low density N 2 -plasma was also generated by applying a 10 W power to create a vacancy site on the front of the Cu and an N-doped graphene quantum sheet. The flow rate of N 2 was 20 SCCM and the working pressure of the chamber was 120 mTorr. Under these conditions, the plasma treatment was performed using various exposure times for N 2 plasma from 0 to 16 seconds to test the electrochemical reaction of the graphene surface. Finally, poly (methyl methacrylate) (PMMA) was spin-coated on the graphene and then the copper foil was removed in 0.1 M ammonium sulfate solution. After washing with deionized water, the graphene was transferred onto the Si substrate and then the PMMA was removed from the acetone for 30 minutes.

SiSi 광전극의The 준비 Ready

[02] 구리 선(wire) 및 Si 웨이퍼의 연마되지 않은 면(후면) 사이에 오믹 컨택트(ohmic contact)를 형성하기 위해, 갈륨-인듐 공융 합금이 혼입되었고 이후 실버 페이스트(silver paste)에 의해 처리되었다. Si의 전면(front side)의 의도된 광조사 영역 (0.25 cm2)을 제외하고 Si 후면 컨택트(back contact)의 절연 및 보호를 위해 에폭시가 사용되었다. Gr이 Cu 호일로부터 상기 Si 표면으로 전사되었다. PMMA가 Gr 상에 스핀-코팅 된 다음, 상기 구리 호일이 과황산암모늄 용액에서 제거되었다. 탈이온수로 세척된 후, Gr이 Si 기재 상에 전사된 다음, PMMA가 30 분 동안 아세톤에서 제거되었다.
[02] In order to form an ohmic contact between the copper wire and the un-polished surface (back surface) of the Si wafer, a gallium-indium eutectic alloy was incorporated and then treated with a silver paste . Epoxy was used for insulation and protection of the Si back contact except for the intended light irradiated area (0.25 cm 2 ) of the front side of the Si. Gr was transferred from the Cu foil to the Si surface. PMMA was spin-coated onto the Gr phase and then the copper foil was removed from the ammonium persulfate solution. After washing with deionized water, the Gr was transferred onto the Si substrate and then the PMMA was removed from the acetone for 30 minutes.

전기화학적 측정들Electrochemical measurements

전기화학적 측정들은 전기화학분석기(CHI 600D, CH Instruments, Inc.)를 사용하여 3-전극 전지에서 수행되었다. Pt 호일이 상대전극(counter electrode)으로서 사용되었고, Ag/AgCl/3 M NaCl 전극은 기준전극(reference electrode)으로서 사용되었다. 기준전극은 25℃에서 고순도 H2 포화를 갖는 1 M의 과염소산 수용액에서 가역 수소 전극(RHE)에 대하여 주의 깊게 보정되었다(도 4). RHE는 상기 Ag/AgCl 기준전극에 대하여 -0.201 V 및 -0.203 V에서 측정되었다. 광전기화학적 거동을 측정하기 위해, Air Mass 1.5 Global 조절 유리 필터를 구비한 300 W Xe 램프로부터의 가시광선이 100 mW cm-2의 빛 강도를 갖고 상기 기재 상에 조사되었다. RDE 시스템은 EG&G PARC Inc으로부터 구입되었으며, RDE 측정을 위한 유리 탄소 팁(Glass Carbon tip)(직경 3 mm)은 BASi으로부터 구입되었다. 5 wt% 나피온과 함께 혼합된 Pt 촉매는 종래 문헌의 방법으로부터 합성되었다. 10 μL의 상기 Pt 촉매 잉크가 GC 상에 로딩되었고, 110℃에서 건조되었다. RDE 측정은 5 mV s-1의 스캔 속도를 이용하여 1,000 rpm의 회전속도에서 수행되었다.
Electrochemical measurements were performed in a 3-electrode cell using an electrochemical analyzer (CHI 600D, CH Instruments, Inc.). A Pt foil was used as a counter electrode, and an Ag / AgCl / 3 M NaCl electrode was used as a reference electrode. The reference electrode was calibrated carefully for the reversible hydrogen electrode (RHE) in a 1 M perchloric acid aqueous solution with high purity H 2 saturation at 25 ° C (FIG. 4). RHE was measured at -0.201 V and -0.203 V for the Ag / AgCl reference electrode. To measure photoelectrochemical behavior, visible light from a 300 W Xe lamp equipped with an Air Mass 1.5 Global controlled glass filter was irradiated onto the substrate with a light intensity of 100 mW cm & lt ; &quot; 2 & gt ;. The RDE system was purchased from EG & G PARC Inc, and a glass carbon tip (3 mm diameter) for RDE measurements was purchased from BASi. A Pt catalyst mixed with 5 wt% Nafion was synthesized from the method of the prior art. 10 [mu] L of the Pt catalyst ink was loaded onto the GC and dried at 110 [deg.] C. RDE measurements were performed at a rotation rate of 1,000 rpm using a scan rate of 5 mV s -1 .

상대적 수소 전극에 대한 보정Correction to relative hydrogen electrode

상기 Ag/AgCl/3 M NaCl 전극(BASi)이 기준전극으로서 사용되었다. Pt 호일(2 cm × 2 cm × 0.1 mm, 순도 99.997%, Alfa Aesar)이 상대전극으로서 사용되었다. RDE 실험의 경우, Pt 와이어(직경 0.1 mm, Dr Bob's cell)가 상대전극으로서 사용되었다. 25℃에서 고순도 H2 포화를 갖는 1 M의 과염소산 수용액(Sigma Aldrich)에서의 가역 수소 전극(RHE)에 대하여 주의 깊게 보정되었다. 상기 RHE는 상기 Ag/AgCl 기준전극에 대하여 -0.201 V 및 -0.203 V에서 측정되었다(도 4). Ag/AgCl 및 RHE 간의 포텐셜 차이는 전극의 pH 및 온도 등에 따라 종속되기 때문에, 상기 포텐셜은 각 측정의 설정 이전에 주의하여 측정되었고, 상기 측정은 각 조건에 대하여 적어도 3 회 수행되었다. 상기 포텐셜은 5 mV s- 1 의 스캔 속도에서 상전위기(potentiostat)(CHI 600D, Ch Instrument)를 사용하여 조절되었다.
The Ag / AgCl / 3 M NaCl electrode (BASi) was used as the reference electrode. A Pt foil (2 cm x 2 cm x 0.1 mm, purity 99.997%, Alfa Aesar) was used as the counter electrode. For the RDE experiments, a Pt wire (diameter 0.1 mm, Dr Bob's cell) was used as the counter electrode. (RHE) in a 1 M perchloric acid aqueous solution (Sigma Aldrich) with high purity H 2 saturation at 25 ° C. The RHE was measured at -0.201 V and -0.203 V for the Ag / AgCl reference electrode (FIG. 4). Since the potential difference between Ag / AgCl and RHE is dependent on the pH and temperature of the electrode, the potential was measured carefully prior to setting each measurement, and the measurement was performed at least three times for each condition. The potential was adjusted using a potentiostat (CHI 600D, Ch Instrument) at a scan rate of 5 mV s &lt; -1 & gt ;.

특성 분석Character analysis

라만 스펙트럼은 Ar 레이저인, 514.5 nm의 여기 파장을 이용하여 Renishaw 마이크로-라만 분광기를 이용하여 수득되었다. 스팟(spot) 직경은 50× 대물렌즈를 이용하여 약 2 μm였다. 산소 플라즈마 처리(SNTEK)는 140 mTorr 하에서 13 초 동안 100 W의 라디오-주파수(rf) 전력과 함께 수행되었으며, 질소 플라즈마는 120 mTorr 하에서 여러 노출시간(0 초 내지 16 초)동안 10 W의 rf 전력을 이용하여 가속화되었다. XPS 스펙트럼은 한국 기초 과학 연구소(KBSI)에서 150 W 소스인, 단색 Al K (1,486.6 eV)를 사용하여 AXIS Ultra DLD(Kratos. Inc)에 의해 수집되었다. Narrow-scan 데이터는 단계 당 40 eV 및 0.05 eV의 패스 에너지를 사용하여 수집되었다.
Raman spectra were obtained using a Renishaw micro-Raman spectrometer using an excitation wavelength of 514.5 nm, which is an Ar laser. The spot diameter was about 2 μm using a 50 × objective lens. Oxygen plasma treatment (SNTEK) was performed with a radio-frequency (rf) power of 100 W for 13 seconds at 140 mTorr and a nitrogen plasma at a power of 10 W at various exposure times (0 to 16 seconds) under 120 mTorr . The XPS spectra were collected by AXIS Ultra DLD (Kratos, Inc) using a monochromatic Al K (1,486.6 eV), a 150 W source at Korea Basic Science Institute (KBSI). Narrow-scan data were collected using 40 eV per step and 0.05 eV pass energy.

단층 그래핀(Gr)은 화학기상증착(CVD)을 통해 Cu 호일에서 성장되었고, p-형 Si 웨이퍼로 전사되었다. Si(Gr-Si) 전극에서 Gr의 광전극(photocathodic) 거동을 검토하기 위해, 전류 밀도 측정은 3개의 전극 전지에서 가역 수소 전극(RHE)에 대하여 0.4 V 내지 -1.0 V으로 조사된 포텐셜과 같이 스윕(sweep)되었다. 300 W Xe 램프의 광원은 공기 질량 1.5 글로벌(Air Mass 1.5 Global) 조절 필터로 수성 1 M 과염소산 용액(pH 0) 하에서 100 mW cm- 2 의 광 강도를 가진 Si 광전극을 광조사했다.
Monolayer graphene (Gr) was grown on Cu foil by chemical vapor deposition (CVD) and was transferred to p-type Si wafers. In order to investigate the photocathodic behavior of Gr in the Si (Gr-Si) electrode, the current density measurement was carried out in the same manner as the potential irradiated from 0.4 V to -1.0 V with respect to the reversible hydrogen electrode (RHE) It was swept. 300 W Xe lamp light source of the air mass 1.5 global (Air Mass 1.5 Global) 100 mW cm by adjusting the filter under aqueous 1 M perchloric acid solution (pH 0) - was irradiated with light for Si photo-electrode having a light intensity of the two.

광전기화학적 성능의 측정에서, Gr은 HER에 대하여 촉매 활성을 나타낸다. 도 1의 (a)에 나타낸 것과 같이, 순수 Si(bare Si)의 전류 밀도는 RHE에 대하여 -0.2 V 부터 점차적으로 증가하고, 포텐셜이 음(negative)으로 인가됨에 따라, 약 -32 mA cm- 2 에서 RHE에 대하여 -1.0 V로 포화되었다. 흥미롭게도, Gr-Si의 측정에서, 전체적인 전류 밀도-포텐셜 (J-E) 곡선은 양(positive) 포텐셜 쪽으로 약 0.2 V만큼 변위(shift)되었다. 온셋 포텐셜(onset potential)은 -1 mA cm- 2 의 광전류 밀도에서 포텐셜로서 정의된다. Gr-Si의 온셋 포텐셜은 RHE에 대하여 0.01 V 이고, 상기 포텐셜은 순수 Si(-0.17 V vs. RHE)에 비해 0.18 V 에 의한 양(positive) 변위이다. 도 1의 (b)는 또한 비소(arsenic)로 도핑된 n+ 타입 Si 전극들의 암(dark) 전류 밀도를 나타낸다. 암(dark) 상태에서, 온셋 포텐셜(Gr-Si에 대하여, -0.49 V vs. RHE)의 0.14 V 에서의 양(positive) 변위는 또한 상기 순수 Si(-0.63 V vs. RHE)에 비해 HER에 높은 활성을 나타낸다. 본 결과는 단층 Gr은 Si 광전극에서 HER에 대하여 효과적인 촉매로서 작용한다는 것을 나타낸다.In the measurement of photoelectrochemical performance, Gr shows catalytic activity against HER. As shown in Fig. 1 (a), the current density of pure Si (bare Si) gradually increases from -0.2 V with respect to RHE, and increases to about -32 mA cm &lt; 2 to -1.0 V for RHE. Interestingly, in the Gr-Si measurements, the overall current density-potential ( JE ) curve was shifted by about 0.2 V towards the positive potential. Onset potential (potential onset) is -1 mA cm - is defined as the potential in the photoelectric current density of 2. The onset potential of Gr-Si is 0.01 V for RHE, and the potential is a positive displacement by 0.18 V compared to pure Si (-0.17 V vs. RHE). Figure 1 (b) also shows the dark current density of n + type Si electrodes doped with arsenic. In the dark state, the positive displacement at 0.14 V of the onset potential (-0.49 V versus RHE for Gr-Si) is also lowered to HER compared to the pure Si (-0.63 V vs. RHE) High activity. This result shows that the single layer Gr acts as an effective catalyst for HER at the Si photoelectrode.

Gr의 전기촉매적 활성을 조사하기 위해, 본 발명자들은 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 회전원반전극(rotating disk electrode, RDE)을 이용하여 광조사 없이 수행하였다. 작업전극(working electrode)을 제조하기 위해, Gr은 수용액에서 불활성인 유리질 탄소(GC) 팁으로 전사되었다. 도 2의 (a)에 나타낸 것과 같이, RDE 측정들의 J-E 곡선들에서, 물의 전기분해로부터의 전류 밀도는 상기 포텐셜이 0 V 내지 -0.5 V까지 스윕(sweep)됨에 따라 온셋이 급격히 증가한다. RDE 시스템에서 HER에 대한 온셋 포텐셜을 비교하기 위해, HER 전류 밀도의 -5 mA cm- 2 를 도달하기 위한 포텐셜이 순수(bare) GC 및 Gr-GC에 대해 측정되었다. HER 전류 밀도의 -5 mA cm-2 에 도달하기 위한 포텐셜은 상기 순수 GC에 대하여 -0.33 V 이었다. Gr-Si 전극에 대한 광전류 응답의 거동과 유사하게, 전체적인 J-E 곡선에서의 양(positive) 변위 또한 Gr-GC에 대하여 관찰되었다. -5 mA cm- 2 에서의 Gr-GC에 대한 포텐셜은 0.28 V (vs. RHE)이다; 상기 포텐셜은 상기 순수(bare) GC에 대한 포텐셜에 비해 50 mV에 양성 변위 될 것이다. 상기 결과는 상기 Gr 단층이 기재 재료들과 무관하게 HER에 대하여 전기촉매적 활성을 가진다는 것을 의미한다.To investigate the electrocatalytic activity of Gr, cyclic voltammetry (CV) was performed without light irradiation using a rotating disk electrode (RDE). To produce a working electrode, Gr was transferred to a glassy carbon (GC) tip, which is inert in aqueous solution. As shown in Figure 2 (a), in the JE curves of the RDE measurements, the current density from the electrolysis of water increases rapidly as the potential sweeps from 0 V to -0.5 V. To compare the onset potential for HER in the RDE system, -5 mA cm of HER current density - the potential to reach the pure 2 (bare) was measured for the GC and GC-Gr. The potential for reaching -5 mA cm &lt; 2 & gt ; of HER current density was -0.33 V for the pure GC. Similar to the behavior of the photocurrent response on the Gr-Si electrode, a positive displacement in the overall JE curve was also observed for Gr-GC. The potential for Gr-GC at -5 mA cm - 2 is 0.28 V (vs. RHE); The potential will be positively displaced to 50 mV relative to the potential for the bare GC. This result means that the Gr monolayer has electrocatalytic activity towards HER regardless of the substrate materials.

상기 Gr의 촉매 활성에 대하여 정량적으로 더 많은 정보를 얻기 위해, 도 2의 (a)에서 상기 J-E 곡선은 J의 로그 함수로서 포텐셜의 플롯으로 전환된다; 상기 플롯을 타펠 플롯(Tafel plot)이라고 한다. 측정된 포텐셜들은 기재와 전해질 사이의 표면 저항으로부터 발생한 저항 포텐셜 강하(iR)의 손실들이 보정된다. 임피던스 분광법(impedance spectroscopy) 분석은 상기 순수 GC 및 Gr-GC의 상기 저항들은 각각 7.1 옴(Ω) 및 7.2 옴(Ω)이라는 것을 보여준다(도 5). 상기 타펠 플롯(Tafel plot)은 전기촉매적 활성을 측정하는 두 개의 매개 변수들을 제공한다: 타펠 기울기(Tafel slope) 및 교환 전류 밀도. 상기 타펠 기울기는 수득되는 전류의 1 오더(order of magnitude)만큼의 증가에 요구되는 포텐셜 증가의 측정으로 정의된다. 상기 순수 GC는 85 mV/decade 의 타펠 기울기를 보여주며, Gr-GC는 순수 GC보다 낮은 타펠 기울기(74 mV/decade) 인 9 mV/decade 를 나타냈다. 공지의 촉매와의 비교를 위해, Pt 입자들을 GC 상에 증착했고 전기촉매적 활성을 분석했다. -5 mA cm- 2 를 수득하기 위해 인가된 포텐셜은 0.04 V (vs. RHE)이며, 이것은 Gr-GC에 비해 0.24 V 만큼 양(positive)으로 변위된 것이다. Pt-GC의 타펠 기울기는 42 mV/decade 이며, 이것은 Gr-GC보다 32 mV/decade 더 낮은 것이다. 2D MoS2 촉매의 경우, -5 mA cm- 2 를 수득하기 위한 포텐셜은 -0.19 V (vs. RHE)이고, GC에 나피온과의 혼합물로서 증착되었을 때 타펠 기울기는 60 mV/decade 였다.To obtain more quantitative information on the catalytic activity of the Gr, the JE curve in Figure 2 (a) is converted to a plot of potential as a logarithm of J ; The plot is called a Tafel plot. The measured potentials are corrected for the loss of the resistance potential drop (i R) resulting from the surface resistance between the substrate and the electrolyte. Impedance spectroscopy analysis shows that the resistances of the pure GC and Gr-GC are 7.1 ohms (Ω) and 7.2 ohms (Ω), respectively (FIG. 5). The Tafel plot provides two parameters to measure the electrocatalytic activity: the Tafel slope and the exchange current density. The tendell slope is defined as a measure of the potential increase required for an increase by an order of magnitude of the resulting current. The pure GC showed a Tappel slope of 85 mV / decade and the Gr-GC showed 9 mV / decade, a lower Tappel slope (74 mV / decade) than pure GC. For comparison with known catalysts, Pt particles were deposited on GC and analyzed for electrocatalytic activity. -5 mA cm - the applied potential in order to obtain a 2 is 0.04 V (vs. RHE), which is displaced by an amount (positive) as compared to 0.24 V Gr-GC. The Ptell GC tarpaulin slope is 42 mV / decade, which is 32 mV / decade lower than the Gr-GC. For the catalyst 2D MoS 2, -5 mA cm - potential for obtaining the two is -0.19 V (vs. RHE), and was tapel slope is 60 mV / decade when deposited as a mixture with Nafion to GC.

타펠 기울기는 HER에 대한 속도-제한 단계에 의해 측정된 촉매의 고유의 특성이다. 반응기구(mechanism)적으로, 산성 용액에서 상기 HER에 대해, 하기 가능한 반응 단계들이 제안되었다:Tappel slope is an inherent characteristic of the catalyst as measured by the rate-limiting step for HER. Mechanically, for HER in acidic solutions, the following possible reaction steps have been proposed:

H3O+ + e- → Hads + H2O (1)H 3 O + + e - → H ads + H 2 O (1)

Hads + H3O+ + e- → H2 + H2O (2)H ads + H 3 O + + e - → H 2 + H 2 O (2)

Hads + Hads → H2 (3)H ads + H ads - > H 2 (3)

여기서, Hads 는 흡착된 수소이다. (1)은 방전 단계이고[볼머(Volmer) 반응], (2)는 탈착 단계이며[헤이로프스키(Heyrovsky) 반응], (3)은 재결합 단계이다[타펠(Tafel) 반응]. 타펠 기울기 값 또한 전극의 표면에 흡착된 수소 커버리지(θH)와 관련된다. 만약 흡착된 수소의 재결합(타펠 반응)이 HER에 대하여 속도-결정 단계이고, 상기 커버리지가 매우 높다면(θH ≒ 1), 측정된 타펠 기울기는 30 mV/decade 이다. 그러나, 만약 전기화학적 탈리 단계(헤이로프스키 반응)가 속도-결정 단계라면, 40 mV/decade 내지 118 mV/decade의 타펠 기울기가 측정되며 상기 θH (0 내지 1)의 값에 종속된다. 본원에서 ~80 mV/decade의 관찰된 타펠 기울기는, θH가 중간값을 가지기 때문에, 순수 GC 및 Gr-GC 전극들에서 상기 HER의 속도가 헤이로프스키 반응에 의해 결정된다는 것을 나타낸다. Where H ads is adsorbed hydrogen. (1) is a discharge step (Volmer reaction), (2) is a desorption step [Heyrovsky reaction], and (3) is a recombination step [Tafel reaction]. The Tappel slope value is also related to the hydrogen coverage (&amp;thetas; H ) adsorbed on the surface of the electrode. If the recombination of the adsorbed hydrogen (tapel reaction) is a rate-determining step for HER and the coverage is very high (? H ? 1), the measured Telfel slope is 30 mV / decade. However, if the electrochemical desorption step (the Heilovsky reaction) is a rate-determining step, the inclination of the Telfel of 40 mV / decade to 118 mV / decade is measured and is subject to the value of the above-mentioned θ H (0 to 1). The observed Tappel slope of ~ 80 mV / decade here indicates that the rate of HER at the pure GC and Gr-GC electrodes is determined by the Hirovsky reaction, since? H has an intermediate value.

교환 전류 밀도(J 0 ) 는 0(zero) 과전압에서의 전류 밀도로 정의된다. 촉매 효과는 전극과 전해질 사이의 계면에서 전하 전달의 속도를 향상 시키는 것 또는 화학 반응에 대한 활성화 에너지 배리어(barrier)를 저하시키는 것으로부터 유래된다; 이러한 촉매 효과들은 J 0 에 의해 표현된다. 높은 J 0 는 전자 전달 또는 전극/전해질에서 양성자들의 흡착/탈착이 더 낮은 동역학적 장벽에 의해 더 쉽게 발생할 수 있음을 나타낸다. 상기 타펠 플롯에서, J 0 는 도 2의 (d)에서의 플롯의 외삽 및 0 V (vs. RHE)에서 전류 밀도를 추출하는 것에 의해 얻을 수 있다. 상기 Gr-GC 전극은 2.73 × 10-6 A cm- 2 의 향상된 J 0 를 나타내며, 이것은 상기 순수 GC (1.63 × 10-6 A cm-2) 의 J 0 보다 더 높은 것이다(도 6). 상기 단층 Gr의 J 0 또한 MoS2 나노입자의 것과 비교된다. 정확한 J 0 는 활성 부위(active site)들의 수를 고려하여 계산될 수 있다. 예를 들어, HER에 대한 MoS2J 0 는 실험적으로 1.3 × 10-7 A cmgeometric -2 내지 3.1 × 10-7 A cmgeometric -2으로 측정된다. HER에 대한 MoS2 나노입자들의 활성 부위는 MoS2 나노입자들의 엣지 부위(edge site)인 것으로 알려져있다. MoS2 나노입자 및 Pt 촉매 사이의 부위 대 부위간(site-to-site)의 직접 비교를 위해, T. Jaramillo 등은 STM 분석을 포함한 MoS2의 부위(site) 당 교환 전류를 측정했다. 상기 부위 당 교환 전류는 그 후 전이 금속 촉매와의 공정한 비교를 위해, Pt의 상기 부위 밀도에 의해 곱해져, 7.9 × 10-6 A cm-2의 교환 전류 밀도가 수득되었다. 상기 값은 여전히 Gr (2.7 × 10-6 A cm-2)의 교환 전류 밀도와 비슷하다. 본 발명자들은 최근 하나의 단층 Gr의 활성 부위들을 확인 및 정량화하는 조사를 하고 있다. 상기 타펠 분석에서, Gr은 MoS2 나노입자의 것과 비교되는 HER에 대한 촉매 활성을 가졌다.The exchange current density ( J 0 ) is defined as the current density at zero (0) overvoltage. The catalytic effect is derived from either increasing the rate of charge transfer at the interface between the electrode and the electrolyte or lowering the activation energy barrier to the chemical reaction; These catalytic effects are represented by J 0 . High J 0 Indicates that adsorption / desorption of protons in the electron transfer or electrode / electrolyte can be more easily caused by lower kinetic barriers. In the tapel plot, J o can be obtained by extrapolating the plot in Figure 2 (d) and extracting the current density at 0 V (vs. RHE). The Gr-GC electrode is 2.73 × 10 -6 A cm - represents an improved J 0 of Figure 2, this is higher than J 0 of the pure GC (1.63 × 10 -6 A cm -2) ( Fig. 6). The J 0 of the single layer Gr is also compared to that of the MoS 2 nanoparticles. Exact J 0 Can be calculated considering the number of active sites. For example, J 0 of MoS 2 for HER Is experimentally measured as 1.3 × 10 -7 A cm geometric- 2 to 3.1 × 10 -7 A cm geometric- 2 . The active site of MoS 2 nanoparticles for the HER is known to be the edge region (edge site) of MoS 2 nanoparticles. For direct comparisons of site-to-site between MoS 2 nanoparticles and Pt catalysts, T. Jaramillo et al. Measured the exchange current per site of MoS 2 including STM analysis. The exchange current per site was then multiplied by the region density of Pt for a fair comparison with the transition metal catalyst to obtain an exchange current density of 7.9 x 10 &lt; -6 & gt ; A cm &lt;&quot; 2 & gt ;. The value is still close to the exchange current density of Gr (2.7 × 10 -6 A cm -2 ). The present inventors have recently conducted an investigation to identify and quantify the active sites of a single layer Gr. In the TAPPEL assay, Gr had catalytic activity for HER compared to that of MoS 2 nanoparticles.

상기 Gr의 촉매 활성은 활성 부위들을 더 생성함으로써 더욱 향상될 수 있다. 본 발명자들은, N2 플라즈마 처리가 흑연질 탄소 구조에서 질소 도핑 및 풍부한 결함들을 유도할 것이라는 것, 및 이러한 도핑 및 결함 부위들이 HER에 대한 촉매 부위들이 될 수 있다고 예상했다. 기존의 연구에서, Dai 그룹은 개시된 CNT-Gr 복합체에서 질소 불순물들 및 결함 부위들이 산소환원반응(ORR)에 대한 전기촉매적 활성에서 개선을 촉진했다는 것을 보여주었다. Cu 호일에서 성장된 Gr의 표면은 반응성 이온 식각기(RIE)에서 N2 플라즈마를 이용하여 개질되었고, N2-플라즈마-처리된 Gr(NGr)의 촉매 활성들은 상기 플라즈마 처리의 다양한 지속시간에 대하여 측정되었다.The catalytic activity of the Gr can be further improved by generating more active sites. The present inventors have anticipated that the N 2 plasma treatment will induce nitrogen doping and abundant defects in the graphitic carbon structure, and that such doping and defect sites can be catalyst sites for HER. In a previous study, the Dai group showed that nitrogen impurities and defective sites in the disclosed CNT-Gr complex promoted an improvement in the electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR). The surface of Gr grown on Cu foil was modified with N 2 plasma in Reactive Ion Etching (RIE), and the catalytic activities of N 2 -plasma-treated Gr (NGr) Respectively.

상기 N2-플라즈마 처리는 상기 Gr의 촉매 활성을 개선했다. 본 발명자들은 상기 플라즈마 처리의 지속시간을 최적화했으며, 14 초의 지속시간에서 최상의 형태인 Gr을 얻었다[도 1의 (a) 및 도 7]. 도 1의 (a)에서 나타낸 바와 같이, 온셋 포텐셜의 추가적인 양(positive) 변위는 광조사 하의 N-GQS에 대하여 관찰되었다. N-GQS-Si에 대한 온셋 포텐셜은 0.12 V (vs. RHE)이고, 상기 온셋 포텐셜은 Gr-Si에 대한 것에 비하여 0.11 V 이상 더 향상되었다. 상기 -0.17 V (vs. RHE)의 온셋을 갖는 순수 Si에 비교하면, 온셋 포텐셜은 0.29 V에 의해 양(positive) 변위되었다. Gr 및 N-GQS에 의한 더 현저한 향상은 -10 mA cm-2의 전류 밀도에서 관찰되었다. -10 mA cm-2의 광전류를 얻기 위해, -0.42 V, -0.21 V, 및 -0.04 V (vs. RHE)의 포텐셜이 순수 Si, Gr-Si, 및 N-GQS-Si 각각에 대하여 요구되었다. -10 mA cm-2에 대한 포텐셜은, 순수 Si에 비해, N-GQS-Si에 대하여 0.38 V 만큼 애노딕(anodic) 방향으로 변위되었다. N-GQS-Si로부터 캐소딕 전류는 온셋 포텐셜보다 더 음(negative)인 포텐셜 및 -5 mA cm-2 보다 더 작은 전류 밀도들에서 빠르게 증가하였다. 암(dark) 상태에서, N-GQS-Si 또한 상기 Gr-Si[도 1의 (b)]에 비해 50 mV (-0.44 V vs. RHE) 에서 양(positive) 변위를 나타내며, 이것은 결과적으로 순수 Si 상에 N-GQS 증착에 의해 0.56 V의 광전압이 되었다(표 1). 상기 N-GQS의 촉매 활성을 최상의 촉매와 비교하기 위해, 비전해-증착된 Pt(Pt-Si)가 구비된 Si의 CV 또한 측정되었다[도 1의 (a)]. 상기 Pt-Si의 온셋은 0.24 V (vs. RHE)이고, -10 mA cm-2를 얻기 위한 포텐셜은 0.11 V (vs. RHE)이며, 이것은 N-GQS-Si 전극의 것에 비해 0.12 V (vs. RHE) 양(positive) 변위이다. N-GQS-Si 또한 지구상에서 풍부한 촉매인, Ni에 의해 가식된(decorated) Si 전극과 비교되었다. 상기 Ni-Si 전극은 0.34 V (vs. RHE) 의 온셋 포텐셜 및 0 V (vs. RHE)에서 10 mA cm-2J를 갖는 0.4%의 태양광-to-수소(STH) 전환 효율을 나타냈다. N-GQS-Si는 온셋 포텐셜(0.12 V vs. RHE) 및 0 V (vs. RHE)에서의 J(-5.5 mA cm-2)를 나타냈다. 결과적으로, STH 변환 효율(+0.16%)은 N-GQS 촉매를 사용함으로써 달성되었다(표 1). N-GQS-Si 또한 MoS2 촉매를 가지는 Si 전극과 비교되었다. 상기 Si 전극에서 N-GQS의 0 V (vs. RHE)에서의 광전류 밀도(-5.5 mA cm-2)는 MoS2의 보고된 값(약 -0.5 mA cm-2)보다 훨씬 더 높았다.
The N 2 -plasma treatment improved the catalytic activity of the Gr. The present inventors optimized the duration of the plasma treatment and obtained the best form Gr at a duration of 14 seconds (Fig. 1 (a) and Fig. 7]. As shown in Figure 1 (a), additional positive displacements of the onset potential were observed for N-GQS under light illumination. The onset potential for N-GQS-Si is 0.12 V (vs. RHE) and the above onset potential is improved by more than 0.11 V over that for Gr-Si. Compared to pure Si with an onset of -0.17 V (vs. RHE), the onset potential was positively displaced by 0.29 V. A more significant improvement by Gr and N-GQS was observed at a current density of -10 mA cm -2 . To obtain a photocurrent of -10 mA cm -2 , potentials of -0.42 V, -0.21 V, and -0.04 V (vs. RHE) were required for each of pure Si, Gr-Si, and N-GQS-Si . The potential for -10 mA cm -2 was displaced in the anodic direction by 0.38 V with respect to N-GQS-Si, compared to pure Si. Cathodic currents from N-GQS-Si rapidly increased at potentials that are more negative than the onset potential and at current densities less than -5 mA cm -2 . In the dark state, N-GQS-Si also exhibits a positive displacement at 50 mV (-0.44 V vs. RHE) relative to the Gr-Si (FIG. 1 (b) The N-GQS deposition on Si resulted in a light voltage of 0.56 V (Table 1). In order to compare the catalytic activity of N-GQS with that of the best catalyst, the CV of Si with non-electrolytically-deposited Pt (Pt-Si) was also measured (FIG. The onset of the Pt-Si is 0.24 V (vs. RHE), and the potential for -10 mA cm -2 is 0.11 V (vs. RHE), which is 0.12 V versus the N-GQS-Si electrode RHE is a positive displacement. N-GQS-Si was also compared with Ni-decorated Si electrodes, which are abundant catalysts on earth. The Ni-Si electrode exhibited a 0.4% solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiency with an onset potential of 0.34 V (vs. RHE) and a J of 10 mA cm -2 at 0 V (vs. RHE) . N-GQS-Si exhibited an onset potential (0.12 V vs. RHE) and J (-5.5 mA cm -2 ) at 0 V (vs. RHE). As a result, STH conversion efficiency (+ 0.16%) was achieved by using N-GQS catalyst (Table 1). N-GQS-Si was also compared with Si electrodes with MoS 2 catalysts. The photocurrent density (-5.5 mA cm -2 ) at 0 V (vs. RHE) of N-GQS in the Si electrode was much higher than the reported value of MoS 2 (about -0.5 mA cm -2 ).

[표 1][Table 1]

Figure 112014055480843-pat00001
Figure 112014055480843-pat00001

* 광전압은 암(dark) 및 광 조사 상태 하에서의 온셋 포텐셜 간의 차이로서 정의된다. 상기 값은 하기 참고 문헌을 고려하여 계산되었다; Y. W. Chen, J. D. Prange, S. Duhnen, Y. Park, M. Gunji, C. E. Chidsey and P. C. McIntyre, Nature Mater., 2011, 10, 539-544.
The light voltage is defined as the difference between the dark potential and the onset potential under the light irradiation condition. The values were calculated taking into account the following references; YW Chen, JD Prange, S. Duhnen, Y. Park, M. Gunji, CE Chidsey and PC McIntyre, Nature Mater., 2011, 10, 539-544.

N-GQS에 의한 온셋 포텐셜에서의 추가적 양(positive) 변위 또한 RDE 측정에서 관찰되었다. -5 mA cm-2의 전류 밀도를 달성하는 포텐셜은 0.26 V (vs. RHE)이며; 상기 값은 순수 GC(-0.33 V vs. RHE)의 것보다 약 70 mV 정도 더 컸고, Gr-GC(-0.28 V vs. RHE)의 것보다 약 20 mV 정도 더 컸다. N-GQS를 이용한 촉매 활성에서의 개선 또한 타펠 플롯에서의 J 0 비교에 의해 확인되었다[도 2의 (b)]. 상기 N-GQS-GC의 J 0 는 7.29 × 10-6 A cm-2이고, 이것은 Gr-GC의 것보다 약 2.8 배(times) 더 높았다. 이것은 MoS2 나노입자(7.9 × 10-6 A cm-2)의 것과 비슷한 값이다.Additional positive displacements at the onset potential by N-GQS were also observed in RDE measurements. The potential to achieve a current density of -5 mA cm -2 is 0.26 V (vs. RHE); The value was about 70 mV greater than that of pure GC (-0.33 V vs. RHE) and about 20 mV greater than that of Gr-GC (-0.28 V vs. RHE). Improvement in catalytic activity using N-GQS was also confirmed by comparison of J 0 in the Tafel plots (FIG. 2 (b)). The J 0 of the N-GQS-GC was 7.29 × 10 -6 A cm -2 , which was about 2.8 times higher than that of Gr-GC. This is similar to that of MoS 2 nanoparticles (7.9 × 10 -6 A cm -2 ).

도 16에서, 본 발명자들은 다양한 지속시간 동안 N2 플라즈마 처리 후의 Gr의 화학적 상태에서의 변화를 기술한다. 14 초 동안 N2 처리된 N-GQS의 표면의 AFM 이미지는 단층 Gr의 AFM 이미지가 매끄러운(smooth) 반면, 많은 결함 및 엣지(edge)들이 Gr에서 생성되었다는 것을 나타내었다(도 17). 라만 스펙트럼[도 16의 (a)]에서, N2 처리에 의한 결함 및 엣지들의 생성 또한 확인되었다. 단층 Gr의 라만 스펙트럼에서, D 피크는 6-원자 고리들의 브리딩 모드(breathing mode)에 의한 것이며, 이것은 제 1 브릴루앙 영역(Brillouin zone)에서 K 또는 K0 점의 주위에 트랜즈버스 광학 포논(transverse optical phonon)으로부터 유래된 것이다. 이것은 인터밸리(intervalley) 이중 공명 과정을 포함한다. 현저한 D 피크의 부재는 단일 Gr 층의 우수한 결정화의 증거이다. 우수한 결정성을 가진 단층 그래핀에서, D 피크는 단층 Gr에서 무시할 수 있는 약하지만, D 피크가 여전히 G 피크의 약 2%만큼 높으며, 이것은 수소 제조를 위한 우수한 활성 부위일 수 있다. 그러나, 플라즈마 처리 후, D 피크 강도가 현저히 증가하고, ~1,620 cm- 1 에서 D' 피크, 즉 K 또는 K' 주위의 동일한 콘(cone)에 속하는 두 개의 포인트를 연결하는, 인터밸리 이중 공명 과정에 의해 활성화 된다. 또한, ~2,950 cm-1에서 D + G 조합 모드는 그것의 활성화를 위해 결함을 필요로 한다. 따라서, 라만 스펙트럼에서 이러한 변화는 N-GQS에서 풍부한 엣지 및 결함 부위의 형성을 나타낸다.In Figure 16, the inventors describe changes in the chemical state of Gr after N 2 plasma treatment for various durations. The AFM image of the surface of the N-GQS treated with N 2 for 14 seconds indicated that the AFM image of the single layer Gr was smooth while many defects and edges were generated in the Gr (FIG. 17). In Raman spectrum (Fig. 16 (a)), generation of defects and edges by N 2 treatment was also confirmed. In the Raman spectrum of the single layer Gr, the D-peak is due to the breathing mode of the six-atom rings, which is around the K or K 0 point in the first Brillouin zone, transverse optical phonon). This includes an intervalley double resonance process. The absence of significant D peaks is evidence of good crystallization of a single Gr layer. In single-layer graphenes with good crystallinity, the D-peak is negligible in the single layer Gr, but the D-peak is still as high as about 2% of the G-peak, which may be an excellent active site for hydrogen production. However, after plasma treatment, a significant increase in D peak intensity, ~ 1,620 cm - D in the first "peak, that is, K or K 'that connects two points belonging to the same cone (cone) of the surrounding, inter-valley double resonance process Lt; / RTI &gt; Also, the D + G combination mode at ~ 2,950 cm -1 requires a defect for its activation. Thus, this change in Raman spectra indicates the formation of rich edge and defect sites in N-GQS.

Gr의 부동화 효과(passivation effect) 또한 조사되었다. Si 광전극들의 CV는 pH 0 및 pH 6.8에서 0.05 V s-1 (각 전극들의 충 작동 시간은 약 20,000 초임)의 스캔 속도를 이용하여 300 사이클 동안 측정되었다. 도 3의 (a) 및 (b)에서 나타낸 바와 같이, 모든 전극들의 CV 곡선들은 CV 사이클이 증가함에 따라 RHE에 대하여 음(negative) 변위하지만, 순수 Si는 매우 낮은 사이클에서조차 가장 큰 음(negative) 변위를 나타냈다. Si의 표면산화에 대한 Gr 및 N-GQS의 부동화 성능을 측정하는 주요 파라미터로써, 온셋 포텐셜에서의 변화가 측정되었다(도 8). pH 0에서, Gr-Si 및 N-GQS-Si 전극들은 각각 0.1 V 및 0.035 V의 온셋 포텐셜에서의 변위들만을 나타내었고, 반면에 순수 Si 전극의 온셋 포텐셜은 100 사이클 내에 0.38 V만큼 음(negative)으로 변위되었다(도 8). pH 6.8에서, Gr-Si 및 N-GQS-Si 전극들 모두 온셋 포텐셜에서 0.24 V보다 낮은 음(negative) 변위를 보여주는 반면, 순수 Si의 온셋 포텐셜은 급격하게 감소되며, 30 사이클 내에서 단지 약 -1.1 V (vs. RHE)의 값에서 포화되었다.The passivation effect of Gr was also investigated. The CV of the Si photoelectrodes was measured for 300 cycles using a scan rate of 0.05 V s -1 at pH 0 and pH 6.8 (the charge-on time of each electrode was about 20,000 seconds). As shown in FIGS. 3A and 3B, the CV curves of all the electrodes are negatively displaced with respect to RHE as the CV cycle is increased. However, pure Si has the largest negative value even in a very low cycle, Displacement. The change in the onset potential was measured as the main parameter for measuring the passivation performance of Gr and N-GQS for Si surface oxidation (Fig. 8). At pH 0, the Gr-Si and N-GQS-Si electrodes exhibited only displacements at the onset potential of 0.1 V and 0.035 V, respectively, whereas the onset potential of the pure Si electrode was negative by 0.38 V within 100 cycles ) (Fig. 8). At pH 6.8, both the Gr-Si and N-GQS-Si electrodes exhibit a negative displacement below 0.24 V at the onset potential, while the onset potential of pure Si is sharply reduced and only about- Saturated at values of 1.1 V (vs. RHE).

순수 Si, Gr-Si, 및 N-GQS-Si의 대시간전류법(chronoamperometry) 테스트 또한 0 V (vs. RHE)에서 수행되었고, 그것들의 초기값에 의해 정규화된(normalized) 전류 밀도들을 도 3의 (c)에서 시간 함수로서 나타냈다. Gr-Si, 및 N-GQS-Si 또한 pH 0 및 pH 6.7 상태 모두에서 순수 Si의 것에 비해 광전류 밀도에 있어서 성능의 억제된 저해를 나타냈다. 상기 순수 Si의 성능은 pH 6.8에서 1,000 초[도 3의 (c) 및 도 9] 이후에서만 완전히 상실되었다. N-GQS-Si 전극은 정규화된 전류보다 30% 이상 및 10,000 초에서조차 -4.8 mA cm-2을 유지하였다. 따라서, 온셋 포텐셜 및 0 V (vs. RHE)에서의 전류 밀도의 변화로부터, Gr 및 N-GQS가 Si 표면의 산화에 의한 광전기화학적 성능의 감소를 억제한다는 것이 발견되었다.Chronoamperometry tests of pure Si, Gr-Si, and N-GQS-Si were also performed at 0 V (vs. RHE) and normalized current densities by their initial values are shown in FIG. 3 As a function of time in (c). Gr-Si, and N-GQS-Si also showed inhibited inhibition of the performance in photocurrent density compared to that of pure Si in both pH 0 and pH 6.7 conditions. The performance of the pure Si was completely lost only after 1000 seconds at pH 6.8 (Fig. 3 (c) and Fig. 9]. The N-GQS-Si electrode maintained more than 30% higher than the normalized current and -4.8 mA cm -2 even in 10,000 seconds. Thus, it has been found from the changes in current density at the onset potential and 0 V (vs. RHE) that Gr and N-GQS suppress the reduction of photoelectrochemical performance by oxidation of the Si surface.

Si 표면에서 Gr 및 N-GQS의 부동화 효과를 확인하기 위해, Si의 표면 상태가 10,000 초에 동안 0 V (vs. RHE)에서 대시간전류법 테스트 전과 후에 분석되었다[도 16의 (c) 및 (d)]. 순수 Si, Gr-Si, 및 N-GQS-Si의 XPS 스펙트럼은 Si 2p3 /2 영역에서 얻어졌다. Si 피크는 99.3 eV에서 할당될 수 있고, SiO2 피크는 103.3 eV에서 할당 될 수 있다. 순수 Si의 XPS 스펙트럼으로부터, Si-O의 피크는 대시간전류법 테스트 후에 증가되었다. Gr-Si 및 N-GQS-Si 샘플들의 경우, 장기간 테스트 후, 그것들은 SiO2 피크에서 약간의 증가만이 있다. 이러한 결과들은, 그래핀이 광전기분해(photoelectrolysis) 동안 Si 표면의 산화를 억제한다는 것을 나타낸다.To confirm the passivation effect of Gr and N-GQS on the Si surface, the surface state of Si was analyzed before and after the large time current test at 0 V (vs. RHE) for 10,000 seconds (Figure 16 (c) and (d)]. Pure Si, XPS spectrum of Gr-Si, and N-GQS-Si was obtained from the Si 2p 3/2 region. Si peaks can be assigned at 99.3 eV, and SiO 2 peaks can be assigned at 103.3 eV. From the XPS spectrum of pure Si, the peak of Si-O was increased after the large time current method test. For the Gr-Si and N-GQS-Si samples, after long term testing, they only show a slight increase in the SiO 2 peak. These results indicate that graphene inhibits oxidation of the Si surface during photoelectrolysis.

더 나아가 Gr의 전기촉매적 활성을 향상시키기 위해, Pt 나노입자들이 상기 N-GQS-Si(Pt-N-GQS-Si)에서 전착되었다. 본 발명자들은 또한 광전기분해 시, Si 산화를 억제하는 Gr의 부동화 효과가 다른 촉매들과 함께 상승적 이점을 만들 수 있다고 예상했다. 개념의 증명으로서, Pt가 이러한 효과들을 조사하기 위해 선택되었다. Pt-N-GQS-Si의 촉매 활성은, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, N-GQS-Si에 비해 현저히 향상되었다. CV 측정으로부터, Pt-N-GQS-Si의 온셋은 -1 mA cm-2에서 0.35 V (vs. RHE)이고, -10 mA cm-2에 도달하기 위한 포텐셜은 0.25 V (vs. RHE)였다. STH 변환 효율은 3.05%로 증가됐다. 예상된 바와 같이, 장기 안정성 또한 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, Pt 및 Gr을 조합하는 것에 의해 달성되었다. 상기 대시간전류법 테스트는 Pt-N-GQS-Si가 8,000 초 후에도 pH 3.8 및 pH 6.8에서 각각 -4.7 mA cm-2 및 -4.0 mA cm- 2 의 안정적인 전류 밀도를 유지했다는 것을 나타냈다.
In order to further improve the electrocatalytic activity of Gr, Pt nanoparticles were electrodeposited from the N-GQS-Si (Pt-N-GQS-Si). The present inventors also anticipated that during the photoelectrochemical decomposition, the passivation effect of Gr which inhibits Si oxidation could make a synergistic advantage with other catalysts. As a proof of concept, Pt was chosen to investigate these effects. The catalytic activity of Pt-N-GQS-Si was significantly improved as compared with N-GQS-Si as shown in Fig. 1 (a). From CV measurements, the onset of Pt-N-GQS-Si was 0.35 V (vs. RHE) at -1 mA cm -2 and the potential for reaching -10 mA cm -2 was 0.25 V (vs. RHE) . STH conversion efficiency increased to 3.05%. As expected, long-term stability was also achieved by combining Pt and Gr, as shown in Figs. 11 and 12. The current versus time test method is Pt-N-Si-GQS each -4.7 mA cm -2 and -4.0 mA cm at pH 3.8 and pH 6.8 even after 8,000 seconds showed that the maintenance of a stable current density of 2.

최근, 그래핀 기반의 촉매가 광전기화학 반응을 위한 흥미로운 후보 물질이다. 도 13은 수소 제조를 위하여 평평한 순수 Si 기재 및 다공성 Si 기재 상에 N-GQS의 촉매 적용을 나타낸다. 도 13에서 (a) 및 (b)의 주사전자현미경(SEM) 이미지는 상기 순수 Si 기재 및 다공성 Si 기재의 단면을 나타내며, 각각의 내부 삽입도는 샘플의 평면도(top-view)를 나타냈다. 광전극(photocathodic) 거동을 평가하기 위하여, 상기 N-GQS가 순수 Si 상에 건식 전사를 이용하여 로딩되었고 다공성 Si 상에 용액 드롭-캐스팅을 이용하여 로딩되었다. 광전류 밀도는 삼전극 셀에서 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, RHE)에 대하여 0.4 V 내지 -0.8 V까지의 포텐셜 스윕(sweep)에 의해 측정되었다. Air Mass 1.5 Global 컨디션 필터를 구비한 300 W Xe 램프(100 mW cm-2)의 광원이 1 M 과염소산 수용액(pH 0) 중 샘플들에 조사되었다(도 14). 흥미롭게도, 상기 N-GQS는 HER을 위한 우수한 촉매 활성을 나타내었다. 도 13의 (c)에 나타낸 바와 같이, N-GQS/순수 Si의 광전류 밀도-포텐셜(J-E) 커브는 순수 Si의 광전류 밀도-포텐셜(J-E) 곡선과 비교하여 급격하게 양(positive)의 포텐셜 방향으로 대략 ~0.35 V 이동되었을 뿐만 아니라 N-GQS의 온셋 포텐셜 또한 0.29 V로서 양(positive) 변위하였다(표2). 순수 Si에 비하여, 상기 다공성 Si는 광 트랩 효과(light trapping effect)에 의해 향상된 한계전류 밀도 및 온셋 포텐셜의 양(positive) 변위를 나타내었다. 다공성 Si 기재 상의 N-GQS에서, 온셋 포텐셜 0.09 V에서의 양(positive) 변위는 또한 다공성 Si의 그것에 비하여 HER을 위한 더 높은 활성을 보여준다. 도 13에서 (d)는 N-GQS의 전기촉매적 활성을 나타냈으며, 샘플들의 CV 커브들은 광조사 없이 회전 원반 전극(rotating disk electrode, RDE) 시스템을 이용하여 수득되었다. 작업 전극을 위하여, N-GQS가 수용액 중에서 불활성인 유리질 탄소 팁으로 전사되었다. 상기 J-E 커브는 0.1 V 내지 -0.35 V까지 스윕되었으며 온셋 포텐셜은 제조된 그래핀 및 N-GQS에 대하여 -5 mA cm-2의 HER 전류 밀도가 수득되었다(표 2). 상기 N-GQS의 온셋 포텐셜은 RHE에 대하여 -0.22 V이며, 상기 형성된 그래핀의 온셋 포텐셜에 비하여 0.07 V 만큼 양(positive) 변위를 가졌다. 상기 결과는 전체 J-E 커브에서 N-GQS에 의한 양(positive) 변위인 상기 J-E 커브의 광전기화학적 거동과 유사하다. 상기 결과로부터, 본원은, 상기 N-GQS가 특정 모폴로지를 가지는 Si 광전극과 결합되었을 때 수소 생성을 위한 우수한 전기촉매적 효과를 나타내는 결론에 도달했다. Recently, graphene based catalysts have been an interesting candidate for photoelectrochemical reactions. 13 shows the catalyst application of N-GQS on flat, pure Si-based and porous Si-based substrates for hydrogen production. The scanning electron microscope (SEM) images of FIGS. 13 (a) and 13 (b) show cross sections of the pure Si substrate and the porous Si substrate, with each internal view showing a top-view of the sample. To evaluate photocathodic behavior, the N-GQS was loaded onto pure Si using dry transfer and loaded onto porous Si using solution drop-casting. The photocurrent density was measured by a potential sweep from 0.4 V to -0.8 V against a reversible hydrogen electrode (RHE) in a three electrode cell. A light source with a 300 W Xe lamp (100 mW cm -2 ) equipped with an Air Mass 1.5 Global condition filter was irradiated onto the samples in a 1 M perchloric acid aqueous solution (pH 0) (FIG. 14). Interestingly, the N-GQS showed excellent catalytic activity for HER. As shown in Fig. 13 (c), N-GQS / photocurrent density of the pure Si - potential (JE) curve photocurrent density of the pure Si - potential (JE) potential direction of sharply compared to the curve amount (positive) And the positive potential of the N-GQS was also 0.29 V (Table 2). Compared to pure Si, the porous Si exhibited a positive displacement of the threshold current density and the onset potential improved by the light trapping effect. In N-GQS on a porous Si substrate, the positive displacement at an onset potential of 0.09 V also shows a higher activity for HER compared to that of porous Si. Figure 13 (d) shows the electrocatalytic activity of N-GQS, and the CV curves of the samples were obtained using a rotating disk electrode (RDE) system without light irradiation. For the working electrode, N-GQS was transferred to a glassy carbon tip which is inert in aqueous solution. The JE curve was swept from 0.1 V to -0.35 V and the onset potential obtained a HER current density of -5 mA cm -2 for the prepared graphene and N-GQS (Table 2). The N-GQS's onset potential was -0.22 V versus RHE and had a positive displacement by 0.07 V compared to the onset potential of the formed graphene. The results are similar to the photoelectrochemical behavior of the JE curve, which is a positive displacement by N-GQS in the overall JE curve. From the above results, we have come to the conclusion that the N-GQS exhibits an excellent electrocatalytic effect for hydrogen production when combined with a Si photoelectrode having a particular morphology.

[표 2] [Table 2]

Figure 112014055480843-pat00002

Figure 112014055480843-pat00002

요약하면, 본원은 질소 플라즈마를 이용하여 구리 상에 형성된 단층 그래핀으로부터의 N-GQS의 형성을 증명하였다. 상기 N-GQS는, 다양한 디스플레이, 에너지, 및 생물학적 응용에 유용할 수 있는 광전기화학적 수소 생성을 위한 촉매 활성을 향상시키기 위해, 특정 모양의 광전극 표면으로 전사될 수 있었다.
In summary, the present application demonstrated the formation of N-GQS from a single-layer graphene formed on copper using a nitrogen plasma. The N-GQS could be transferred to the photoelectrode surface of a specific shape to enhance catalytic activity for photoelectrochemical hydrogen generation that could be useful for a variety of display, energy, and biological applications.

본 실시예에서, 본 발명자들의 연구는 N-도핑된 그래핀 양자 시트가 수소 생산을 위한 촉매로서 작용하며, 과전압, 전류 밀도 및 장기 안정성의 측면에서 다른 탄소 촉매보다 더 우수하다는 것을 보여주었다. 본 방법은 그래핀에서의 촉매 활성을 향상시키기 위해 결함들 및 불순물들 제어의 중요성을 보여준다. 더욱이, 이러한 결과들은 다양한 에너지 변환 시스템들에서 다른 전기화학적 반응들을 위한 그래핀 촉매의 사용으로서 적용될 수 있었다.In this example, our studies have shown that N-doped graphene quantum sheets act as catalysts for hydrogen production and are superior to other carbon catalysts in terms of overvoltage, current density and long-term stability. The method shows the importance of controlling defects and impurities to improve catalytic activity in graphene. Moreover, these results could be applied as the use of a graphene catalyst for different electrochemical reactions in various energy conversion systems.

또한, 본 실시예는 N-GQS로 가식된(decorated) 다공성 Si-캐소드가 향상된 광화학적 및 전기화학적 활성을 나타내며, 이는 태양광-유도(solar-driven) 수소 발생 반응(HER)에 대하여 유리함을 증명했다. 따라서, 상기 단층 그래핀으로부터 전환된 상기 N-GQS는 미래에 넓은 범위의 광전자적, 전기화학적, 및 에너지 저장 응용을 위해 유용할 것으로 예상된다. 또한 본 실시예는 평평한(flat) Si 또는 다공성 Si 상에 전사된 상기 N-GQS가 수소 발생 반응을 위한 우수한 광전기화학적 촉매가 될 수 있음을 확인하였다. The present example also shows that the porous Si-cathode decorated with N-GQS exhibits improved photochemical and electrochemical activity, which is advantageous for solar-driven hydrogen generation reaction (HER) Proved. Thus, the N-GQS converted from the single-layer graphene is expected to be useful for a wide range of optoelectronic, electrochemical, and energy storage applications in the future. The present example also confirmed that the N-GQS transferred onto flat Si or porous Si could be an excellent photo-electrochemical catalyst for the hydrogen generation reaction.

본 실시예에서 본 발명자들은 그래핀 양자 시트가 수소 발생 반응(HER)에 대하여 촉매 작용을 할 수 있다는 것을 입증했다; 따라서, 상기 그래핀 양자 시트는 과전압의 현저한 감소를 통해 실리콘(Si) 광전극들의 성능을 향상시킬 수 있었다. 촉매 활성은 N-도핑되고 결함이 많은 N2 플라즈마 처리에 의해 제조된 그래핀 양자 시트에서 향상시킬 수 있었다. 또한, 투명 그래핀 양자 시트 촉매와 함께 표면 부동화(passivation)는 Si 광전극이 중성수에서 산화 억제에 의해 효율적이고 안정적으로 반응하도록 할 수 있었다. In this example, the inventors have demonstrated that graphene quantum sheets can catalyze a hydrogen evolution reaction (HER); Thus, the graphene quantum sheet could improve the performance of the silicon (Si) photoelectrodes through a significant reduction in the overvoltage. The catalytic activity could be improved in graphene quantum sheets prepared by N 2 doping and defective N 2 plasma treatments. In addition, surface passivation with transparent graphene quantum sheet catalyst enabled the Si photoelectrode to react efficiently and stably by neutralization of oxidation in neutral water.

본 실시예에서, 본 발명자들은 효율적인 HER을 위한 전기화학적 촉매와 같은 그래핀 양자 시트에 대한 새로운 가능성들을 조사했으며, N2 플라즈마 처리를 통해 달성된 질소 도핑 및 결함들은 촉매 활성을 개선했다는 것을 발견했다. 본 발명자들이 알고 있는 바로는, 수소 제조에 대한 그래핀 양자 시트의 적용에 대한 선행 보고는 없었다.In this example we have investigated new possibilities for graphene quantum sheets, such as electrochemical catalysts for efficient HER, and found that the nitrogen doping and defects achieved through N 2 plasma treatment improved catalytic activity . As known to the present inventors, there has been no prior report on the application of graphene quantum sheets to hydrogen production.

개념의 증명으로서, Si 광전극은 그래핀 양자 시트의 촉매 활성 및 광전기화학적 HER에서의 질소 도핑 영향을 조사하기 위해 사용되었다. Si는 1.12 eV의 작은 밴드갭 및 정밀한 조작성으로 인해 가장 촉망되는 광전극 소재이다; 그러나, 이것은 표면 산화로 인해 수계 전해질 하에서 지속적으로 작용될 수 없다. 그러므로 Si 표면의 부동화(passivation)는 중성수에서 Si 광전극의 지속적인 작용을 위해 필수적이다. Si에서의 단층 그래핀은 표면보호층(passivation layer)으로서 표면 산화에 대항하여 광자 발생률의 감소 없이 작용했다.As a proof of concept, the Si photoelectrode was used to investigate the catalytic activity of the graphene quantum sheet and the nitrogen doping effect in the photoelectrochemical HER. Si is the most promising photoelectrode material due to its small band gap of 1.12 eV and precise operability; However, this can not be sustained under the aqueous electrolyte due to surface oxidation. Therefore, the passivation of the Si surface is essential for the continuous operation of the Si photoelectrode in neutral water. The single-layer graphene in Si acted as a passivation layer without reducing the photon generation rate against surface oxidation.

본 발명자들은 Si-광전극의 PEC 성능을 향상시킨 N-도핑된 그래핀 양자 시트 촉매를 제안했다. Si로부터의 광전류에 대한 온셋 포텐셜은 포화 전류 밀도에서의 변화 없이 애노딕(anodic) 방향으로 현저히 이동되었다. N-GQS 또는 N-GQD는 Si 광전극에서의 광전기화학적 HER에 대한 우수한 촉매 활성을 가지며, 중성 pH에서조차 더 높은 온셋 포텐셜 및 전류 밀도를 유지하는 부동화 층이다. 본 실시예에서의 접근법은 태양광-유도 수소 연료 제조에 대하여 높은 효율 및 내성을 가지는 무금속(metal-free) 탄소계 촉매들을 개발하기 위한 전략을 개발했다.
The present inventors have proposed an N-doped graphene quantum-sheet catalyst which improves the PEC performance of Si-photoelectrodes. The onset potential for the photocurrent from Si has shifted significantly in the anodic direction without any change in the saturation current density. N-GQS or N-GQD is a passivation layer that has excellent catalytic activity for photoelectrochemical HER at the Si photoelectrode and maintains higher onset potential and current density even at neutral pH. The approach in this example has developed a strategy for developing metal-free carbon-based catalysts with high efficiency and resistance to solar-induced hydrogen fuel production.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (7)

화학기상증착법에 의하여 금속 촉매층 상에서 형성된 단층 그래핀에 질소 플라즈마를 인가함으로써 형성되는 N-도핑된 원자-두께의 그래핀 양자점을 포함하는, 수소-생성 반응용 촉매로서,
상기 N-도핑된 원자-두께의 그래핀 양자점은, 상기 질소 플라즈마 처리에 의해 증가된 결함(defect) 부위와 증가된 N-도핑양을 함유하는 것이고,
상기 N-도핑된 원자-두께의 그래핀 양자점은, 광촉매로서 광전기화학 또는 전기화학을 통한 수소-생성 반응에 대한 활성을 가지는 것인,
수소-생성 반응용 촉매.
1. A catalyst for hydrogen-forming reaction comprising an N-doped atom-thick graphene quantum dot formed by applying a nitrogen plasma to a single-layer graphene formed on a metal catalyst layer by chemical vapor deposition,
The N-doped atom-thick graphene quantum dot contains increased defect sites and increased N-doping quantities by the nitrogen plasma treatment,
Wherein the N-doped atom-thick graphene quantum dot has an activity toward a hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry or electrochemistry as a photocatalyst.
Catalyst for hydrogen-forming reaction.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 광촉매는 중성 조건에서 광전기화학 또는 전기화학을 통한 수소-생성 반응에 대한 활성을 가지는 것인, 수소-생성 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the photocatalyst has an activity for hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry or electrochemistry under neutral conditions.
제 1 항에 있어서,
상기 N-도핑된 원자-두께의 그래핀 양자점은 과전압을 감소시켜 광전기화학을 통한 수소-생성 반응의 효율을 증가시키는 것인, 수소-생성 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the N-doped atom-thick graphene quantum dot increases the efficiency of the hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry by reducing overvoltage.
제 1 항에 있어서,
상기 N-도핑된 원자-두께의 그래핀 양자점은 광전기화학을 통한 수소-생성 반응에 사용되는 광전극의 표면에 전사되어 상기 광전극의 표면 산화를 방지 또는 감소시킴으로써 상기 광전극의 안정성을 향상시키는 것인, 수소-생성 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
The N-doped atom-thick graphene quantum dot is transferred to the surface of the photoelectrode used for the hydrogen-forming reaction through photoelectrochemistry to prevent or reduce surface oxidation of the photoelectrode, thereby improving the stability of the photoelectrode &Lt; / RTI &gt;
제 6 항에 있어서,
상기 광전극은 Si를 포함하는 것인, 수소-생성 반응용 촉매.
The method according to claim 6,
Wherein the photoelectrode comprises Si.
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