물 기판이 분해되는 문제가 발생했다.
□ 연구팀은 기존의 방식이 아닌, 철 원소가 다량 도핑된 스트론튬 티타네
이트(SrTiO3) 졸젤 용액을 기판에 코팅하여 진공에서 열처리를 하였다.
실시간 투과전자현미경 기법을 이용하여 온도를 증가시키며 관찰하였
을 때, 섭씨 800도를 기점으로 코팅된 박막은 비정질 고체에서 결정질
고체로 상변화가 일어났다.
∘ 특히, 비정질 상태인 저온에서 50%로 도핑된 철 원소 전량이 기판 위
로 엑솔루션되었다. 엑솔루션된 철 입자는 크기와 분포는 매우 작고,
균일하며, 기판에 부분적으로 박혀 있었다.
∘ 또한, 입자는 상온 상압에서 자철석(Fe3O4)*으로 산화되어 광흡수와 전
도도가 좋은 밴드갭이 작은 물질로 상변화하였고, 기판과 ‘type II
band 정렬*’함으로써 홀 전자를 분리하기 쉽게 하여 물분해를 위한
광전기 화학 셀의 활성과 수명을 극대화할 수 있었다.
□ 스트론튬 티타네이트와 비교 시, 활성은 약 12배 증가했으며(가역 수소
전극에 대해 1.23V에서 5.10 mA/cm2), 24시간 동안 거의 동일한 활성
(97% 유지율)을 유지했다.
* 자철석 (Fe3O4): 철(II)과 철(III) 이온이 혼합된 산화철로, 강한 자성을 띠며 자연에
서 흔히 발견되는 철의 산화물
* Type II band 정렬: 두 반도체가 접합될 때, 한쪽 반도체의 전도대가 다른 쪽 반도
체의 전도대보다 낮고, 가전자대는 상대적으로 반대쪽이 더 높아 전자와 정공이 각
각 다른 반도체에 위치하게 되어 공간적으로 분리되는 밴드 정렬
∘ 연구팀은 추가적으로 제일원리계산*을 통해 이러한 현상은 비정질 고체
에서 철 원소의 공공 생성 에너지가 낮은 데서 기인한다는 것을 밝혔
다.
* 제일원리계산: 기본 물리법칙과 상수만으로 원자나 전자의 움직임을 계산하는 방
법으로, 정확도와 효율성이 입증되며 최근 각광받고 있다.