A search for a new paradigm is underway to replace conventional photochemical systems by directly converting solar energy to chemical fuels, more specifically by photocatalytic water splitting. So far, conventional systems - namely oxide semiconductors and organic dyes - have displayed problems, including low light harvesting, instability, and charge recombination, thus limiting the overall light-to-fuel efficiency. Given the issues regarding the two representative water splitting systems, a solution to the aforementioned problems can be plasmonic metal nanostructures. Unlike oxide semiconductors, plasmonic metal nanostructures encompass a broad and strong absorption of visible light based on localized surface plasmon resonance (LSPR). The stability of plamonic metals is also exceptionally high compared to semiconductors or dyes. Most importantly, the metal nanostructures can generate “hot carriers” via plasmon decay which are energetic enough to overcome the Schottky barrier formed between a metal and a semiconductor. With this a plasmon-induced charge separation process can be achieved. Here, we investigate solar water splitting using a plasmonic gold (Au)-semiconductor ($TiO_2$) heterostructure prepared via the block copolymer (BCP)-based nanotransfer printing technique. The transfer printing process allows ordered Au nanopatterns to be easily incorporated onto a $TiO_2$-deposited FTO substrate, thereby forming an $Au-TiO_2$ junction through which a direct hot carrier transfer can occur. The technique also allows us to control the geometry of the Au pattern namely nanowires and nanorods, allowing for tunable absorption of light. Given this advantage, the photocurrent densities of samples comprising Au nanowires (AuNWs) and Au nanorods (AuNRs) are measured for comparison. Electrochemical analysis is made using cyclic voltammetry to visualize the effect of illumination of the plasmonic heterostructure on the onset potential for water oxidation. In doing so, it has been demonstrated that heterostructures comprising Au nanorods are more effective light harvesters than the Au nanowire counterpart.
최근에 환경보전에 대한 관심이 전 세계적으로 많아지면서 석유, 석탄을 대체할 수 있는 친환경적이고 지속 가능한 에너지원을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 태양 에너지를 화학 연료로 바로 변환할 수 있는 광촉매를 이용한 물 분해가 각광을 받고 있다. 허나 반도체와 유기 염료처럼 지금까지 보고된 시스템은 낮은 광 수확, 불안정성, 전하 재결합 등의 문제점을 보였고 이로 인해 빛-연료 전환 효율에 대한 한계를 들어냈다. 기존 시스템들의 문제점을 극복할 수 있는 하나의 해결책으로 제시된 것은 바로 플라즈모닉 금속 나노구조체이다. 플라즈모닉 금속은 반도체와 달리 표면 플라즈몬 공명을 통해 가시광선을 폭 넓고 강하게 흡수한다. 또한 플라즈모닉 금속은 반도체나 유기 염료에 비해 물에서 뛰어난 안정성을 보인다. 무엇보다 플라즈모닉 금속은 플라즈몬 소멸을 통해 기존보다 더 높은 에너지로 금속과 반도체가 접합하였을 때 계면에서 생성된 쇼트키 장벽을 극복할 수 있는 열 전자를 생성하게 된다. 따라서 플라즈몬으로 유발된 전하 분리가 일어난다. 본 연구는 블록공중합체 기반의 나노 전사 프린팅으로 제조된 $Au-TiO_2$ 이종구조체를 이용한 태양광 물 분해를 다룬다. 나노 전사 프린팅 방법을 통해 장범위 정열을 갖는 Au 나노패턴을 $TiO_2$ 가 증착된 FTO 기판위에 손쉽게 전사하여 $Au-TiO_2$ 접합을 이루고 따라서 열 전자의 전달이 이뤄진다. 이 기술을 통해 또한 Au 패턴의 구조에 대한 변화를 주어 나노선과 나노막대를 얻을 수 있고 고로 흡수하는 빛의 영역을 조절할 수 있다. 구조 변화에 따른 특성 비교를 위해 금 나노선과 금 나노막대로 이루어진 이종구조체에서 발생하는 광 전류 밀도를 측정하였다. 또한 순환전압전류법을 통해 전기화학적 분석을 하여 플라즈모닉 이종구조체를 빛으로 조사함에 따라 물 산화 개시 전위가 바뀌는 것을 확인하였다. 이와 같은 분석 방법을 통해 결과적으로 금 나노막대가 금 나노선보다 더 효율적으로 광 수확을 한다는 결론을 내릴 수 있었다.
