Gold Nanorods Decorated with Ceria and Platinum Nanoparticles for Photocatalytic Hydrogen Evolution

Abstract

Due to the global warming and climate change, the expectancy of ecological hydrogen energy production is increasing and related research are now actively proceeding. Among those researches, in the photocatalyst field, it is well known that hybrid structure could fills up the defects and by synergistic effect, enhances photocatalytic reactivity. Especially the cerium oxide has excellent catalytic reactivity by surface oxygen vacancy but only active to the UV range of light. So researches about make up this defect by combined with plasmonic nanomaterials that absorbs VIS range light was done so on. In this research, based on the plasmonic gold nanorods that absorbs VIS-NIR range, hybrid nanostructure with ceria coating and platinum decoration was synthesized and hydrogen evolution performances were optimized by control of structure. In prior research already shown that Pt functionalized Ceria-gold nanoparticle hybrid structure could enhance the catalytic activity but furthermore, we reported the site separative structure of Pt NP decorated ceria end-coated gold nanorods and achieved dramatically high enhancement of hydrogen evolution performance that 7.3 folds higher than ceria-coated gold nanorods and about 25 folds higher than previous research results with gold nanoparticles. ;지구온난화 및 환경변화에 따라 친환경적인 수소 에너지 생산에 대한 기대가 높아지며 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중, 수소생산 광촉매 분야에서는 복합 구조의 나노 구조체를 형성할 시, 각 조성이 보유한 단점을 보완하고 상승 작용을 통해 촉매 효율을 높일 수 있음이 밝혀진 바 있다. 한 예시로, 산화 세륨은 표면 산소 공공에 기반한 우수한 촉매 성능을 보이나 자외선 영역에 활성을 지닌다는 단점을 지녀 플라즈모닉 금속과 접합하여 이를 개선하고자 하는 연구가 진행된 바 있다. 본 연구에서는 가시광선-근적외선 영역에 활성을 가지는 플라즈모닉 나노 입자인 금 나노 막대를 기반으로 산화 세륨 결정과 백금 나노 입자 부착을 조절하며 복합 구조의 나노 광촉매를 합성하였으며, 광학적 성질과 촉매적 성능의 변화를 관찰하였다. 기존 연구에서 이미 금 나노 입자를 기반으로 하여 금-산화 세륨의 코어-쉘 나노 입자에 백금 나노 입자를 도입할 시, 촉매적 성능이 향상됨을 보인 바 있으나 본 연구에서는 코어-쉘 구조에서 나아가 위치 선택적 구조로 산화 세륨을 부착하여 백금 나노 입자를 첨가할 시 촉매효율이 획기적으로 향상되어 금-산화 세륨의 이중 구조에 비해 약 7.3배의 촉매 효율 향상을 확인하였으며 기존 연구 대비 약 25배의 수소 생산 성능을 달성하였다. 본 연구의 결과는 우수한 수소 생산 촉매 성능을 바탕으로 태양광 전지, 배터리, 연료 전지 등의 촉매 분야에 사용될 수 있을 것이라 기대된다.