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중국 샤먼(厦門, 하문) 대학교 차오양(曹陽, 조양), 청쥔(程俊, 정준) 연구팀은 최근 원자 층 두께의 셀렌화 인듐/그래핀 이형 구조(heterostructure)를 보유하고 있는 광 양극 개발에 성공함.

많은 물리 및 화학 과정은 모두 고체 전극과 용액의 표면 인터페이스 위치에서 발생하기 때문에 표면 위치에 있는 이온의 흡착, 집중과 표면에 있는 반응은 전체 반응 과정에서 매우 중요한 역할을 함.

그러나 전통적인 고체 전극을 사용하면 일반적으로 체 위상과 표면의 복합 특성을 나타내기 때문에 단순히 전극 소재의 표면 효과 및 표면 이온의 동력학을 연구하게 되며, 이런 연구는 한계가 있음.

2차원 소재는 단일 원자 층 두께를 보유하고 있어 결정체 중의 모든 원자는 표면에 위치하여 있기 때문에 일종 이상적인 모델 시스템으로서 관련 유형의 표면 현상에만 대한 연구를 수행할 수 있음.

연구팀은 ‘광전지(photoelectric cell) 분해 수 반응 중에서의 신속한 절차 산소 방출 반(半) 반응(OER)’을 선택하여 표면 이온 행위에 대한 프로브 반응 연구를 수행함.

광 전극을 선택한 동시에 높은 이전 비율, 매칭 특징을 보유하고 있는 에너지 레벨 구조 및 억제되어 있는 광 생성 전자-공동 복합 단일 층의 2차원 셀렌화 인듐(InSe) 소재를 개발한 동시에 장갑 박스가 제공하는 불활성 분위기 속에서 단일 층 그래핀을 이용하여 InSe에 대한 패키징을 실행함으로써 광 전극에 대한 측정 테스트 조건 하에서 장시간의 안정성을 보장함.

단일 층 InSe/Gr 광 양극의 최대 광전류 밀도는 10mA cm-2 수준에 도달하여 일반적인 2차원 소재 광 전극 수준을 대폭 초월하는 것으로 나타났음.

연구팀은 표면 이온 흡착과 반응 성능 이론 시뮬레이션 및 관련 측정 테스트를 통해 높은 광전류 밀도를 보유할 수 있게 되는 원인은 InSe/Gr 표면 수소산소 이온(OH-)과 광 생성 공동의 대량 집중 및 강한 상호 역할 발휘에 있다는 결론을 도출함.

이번 연구를 통해 2차원 이종 접합 표면 특성과 반응 활성 간의 내부적인 연계를 제시하였으며, 전극 표면 이온 효과 발휘를 위해 새로운 소재 플랫폼을 제공하였음.

연구팀은 적합한 표면 성능을 보유하고 있는 2차원 소재를 사용한 동시에 전통적인 광 전극 소재와의 결합을 통해 신형 고 성능 광 양극 소재 개발을 추진하게 될 전망임.

본 연구 성과는 Nature Communications ("Atomically thin photoanode of InSe/graphene heterostructure")에 게재됨.