Solar-driven $N_2$ fixation offers a green alternative to the highly energy intensive Haber-Bosch process that releases more than 300 million metric tons of $CO_2$ annually to form $NH_3$. However, current $N_2$-reducing photoelectrochemical (PEC) studies have not elucidated how the oxidation reaction affects the $N_2$ reduction reaction (NRR) and how to the corresponding anodic half reactions. Herein, this thesis reports a bias-free PEC platform for simultaneous $N_2$ reduction to $NH_3$ and $H_2O$ oxidation to $O_2$ and/or $H_2O_2$. Mo-doped bismuth vanadate-based photoanodes extract electrons from $H_2O$ and transfer them to the photoelectrocatalytic NRR site. A silicon photovoltaic-wired hematite photocathode receives the electrons to drive the NRR, which is influenced by conditions of the $H_2O$ oxidation reaction site. Furthermore, the integration of PEC $N_2$ reduction with $H_2O_2$-dependent biocatalytic oxyfunctionalization achieves simultaneous synthesis of valuable fuels and compounds on both electrodes. This thesis presents the first example of a PEC NRR platform coupled with $H_2O$ oxidation and $H_2O_2$-dependent oxygenation for unbiased chemical synthesis using $N_2$, $H_2O$, and sunlight.
태양빛으로 구동되는 질소 고정은 암모니아를 형성하기 위해 매년 3억 톤 이상의 이산화탄소를 방출하는 하버-보슈법에 대한 친환경적인 대안이다. 그러나 현재의 광전기화학적 질소 환원 연구는 산화 반응이 질소 환원 반응에 미치는 영향을 밝히지 않았다. 본 학위 논문에서는 질소를 암모니아로 환원함과 동시에 물을 산소 및/또는 과산화수소로 산화시키는 광전기화학적 플랫폼을 보고한다. 몰리브데늄이 도핑된 비스무트 바나데이트 기반 광양극은 물에서 전자를 추출하여 질소 환원의 활성 부위로 전달한다. 실리콘 광전지가 연결된 헤마타이트 광음극은 질소 환원 반응을 구동하기 위해 전자를 받는데, 이는 물 산화 반응 활성 부위의 조건에 의해 영향을 받는다. 더 나아가, 광전기화학적 질소 환원과 과산화수소에 의한 생체촉매적 관능화의 통합을 통해 두 전극에서 동시다발적으로 고부가가치 화합물을 합성한다. 본 연구는 질소, 물 및 햇빛으로 귀중한 연료 및 화학 물질을 생산하는 광전기화학적 질소 환원 플랫폼의 첫 번째 예를 제시한다.
