As the consumption of fossil fuel increased tremendously after the industrial revolution, the concentration of carbon dioxide ($CO_2$) in atmosphere has been accumulated by 400 ppm. Carbon dioxide acts as a greenhouse gas, which leads the climate change. One way to solve the climate change problem is to develop the alternative energy source. Photoelectrochemical water splitting or $CO_2$ reduction is a promising technology to deal with the current energy problem.
In this study, hematite photoanode is modified with nitrogen-doped cobalt phosphate (Co-Pi) co-catalyst for enhanced photoelectrochemical water oxidation. The photocurrent density of hematite photoanode increases from 0.48 mA/$cm^2$ to 1.01 mA/$cm^2$ at 1.23 vs. RHE under simulated 1-sun (100 mW/$cm^2$) illumination with nitrogen-doped cobalt phosphate. The $N_2$ plasma formed by the microwave plasma enhanced-chemical vapor deposition equipment (MPE-CVD) makes nitrogen atoms dope in Co-Pi co-catalyst. The light absorption properties remain the same after $N_2$ plasma treatment. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Mott-Schottky analysis show that N-doped Co-Pi lowers the impedance between photoanode and electrolyte, and increases donor density in photoanode.
산업 혁명 이후, 전 세계적으로 화석 연료의 사용량이 급증함에 따라 대기 중에는 이산화탄소 농도가 400 ppm까지 축적되었다. 이산화탄소는 기후변화를 일으키는 온실가스로 널리 알려져 있다. 이러한 기후변화 문제를 해결하기 위한 방법 중에는 대체 에너지의 개발이 있다. 대체 에너지 중 광전기화학적 물 분해 또는 이산화탄소 환원은 기후변화와 관련된 에너지 문제를 해결할 수 있는 촉망받는 기술이다.
이 연구에서는 효율적인 광전기화학적 물 산화반응을 위해 적철석으로 이루어진 광음극에 질소 원자가 도핑된 인산 코발트 조촉매를 올렸다. 질소 원자가 도핑된 인산 코발트 조촉매를 올린 적철석 광음극의 광전류 밀도는 100 mW/$cm^2$의 빛 세기, 기준 수소 전극 대비 1.23 V의 전압에서 측정하였을 때 0.48 mA/$cm^2$ 에서 1.01 mA/$cm^2$로 크게 증가하였다. 인산 코발트 조촉매에 질소 원자를 도핑하는 방법으로는 마이크로파 플라즈마로 증폭된 화학 증착법을 사용하였다. 질소 플라즈마 처리를 한 후에도 광음극의 빛 흡수 성질은 변화가 없었다. 전기화학적 임피던스 측정법과 Mott-Schottky 분석을 통하여 질소 원자가 도핑된 인산 코발트 조촉매가 광음극과 전해질사이의 계면 저항을 크게 낮추었고, 광음극 내에서의 전하 밀도를 크게 증가시켰음을 확인하였다.
