We investigate the product selectivity of $CO_2$ reduction using NiO photocathodes decorated with CdSe quantum dots (QDs) of varying size in a photoelectrochemical (PEC) cell. Size-tunable and quantized energy states of conduction band in CdSe QDs enable systematic control of electron transfer kinetics from CdSe QDs to NiO. It turns out that different size of CdSe QDs results in variation in product selectivity for CO2 reduction. The energy gap between conduction band edge and redox potential of each reduction product (e.g., CO and $CH_4$) correlates with their production rate. The size dependence of the electron transfer rate estimated from the energy gap is in agreement with the selectivity of $CO_2$ reduction products for all reduction products but CO. The deviation in the case of CO is attributed to sequential conversion of CO into $CH_4$ with CO adsorbed on electrode surface. Based on a premise that the CdSe QDs would exhibit similar surface configuration regardless of QD size, it is concluded that the electron transfer kinetics proves to alter the selectivity of $CO_2$ reduction.
본 연구진은 다양한 크기의 CdSe 양자점과 NiO 광양극을 이용하여 광전기화학적 이산화탄소 환원의 선택성을 확인하였다. 크기 조절이 가능하고 양자화 된 에너지 상태를 특성으로 하는 CdSe 양자점은 CdSe 양자점에서 NiO로 전하가 전달되는 속도를 조절할 수 있다. 또한, 크기가 다른 CdSe 양자점은 양자점의 전도대의 에너지와 생성물 (CO, $CH_4$) 의 산화환원전위의 에너지 차이가 생겨 이산화탄소 환원 생성물의 선택성에 영향을 미친다. 이러한 양자점 크기에 따른 에너지 차이로 측정 된 전자전달속도는 CO로의 환원이 아닌 다른 생성물들의 선택성을 예측하였다. CO는 $CO_2$가 $CH_4$으로 전환 되는 과정의 중간생성물이기 때문에 경향을 따르지 않는다. 본 연구진은 CdSe 양자점을 이용하여 표면특성의 변화 없이 밴드갭 에너지를 변화시켜 전자전달속도가 이산화탄소 환원의 생성물 선택성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.
