Solar-Fuel Production by Monolithic and Standalone Devices
저자
발행사항
서울 : 과학기술연합대학원대학교 (UST), 2016
학위논문사항
학위논문(박사)-- 과학기술연합대학원대학교 (UST) : 청정연료화학공학(CleanEnergyandChemicalEngineering) 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
; 26 cm
일반주기명
지도교수: 민병권
UCI식별코드
I804:30003-000002228879
소장기관
Abstract
World energy production still heavily depends on traditional fossil fuels which are to blame for global climate changes due to greenhouse gas emissions and uneven distribution of the fossil fuels in the world worsened by international conflicts. In order to resolve these issues, tremendous efforts have been put into developing sustainable energy resources to replace fossil fuels. Among various energy production methods, fuel production from solar energy is one of the most promising approaches because solar energy is abundant and can be stored as fuels.
In this dissertation, we demonstrate a highly efficient solar energy to fuel conversion device using CO2 and water feedstocks. Especially, we suggest a combined system of photovoltaics and electrolysis to form one single system to achieve an efficient and cost-effective device. In order to realize this device; photovoltaics (PV), oxygen evolution (OER) catalyst, and CO2 reduction catalyst (or hydrogen evolution reaction, HER, catalyst) are required to fabricate the device.
As a first step to fabricate the solar-fuel device, we address the fabrication Co3O4 electrolytic films for water oxidation process by using a low temperature coating method in order to prevent the deterioration of the photovoltaic that is already installed on the reverse side of the catalytic layer. Fabrication of Co3O4 electrocatalyst films are successfully demonstrated at low temperature (~50 oC) by a paste coating method using Nafion as a binder. Also, different sizes of Co3O4 particles with average diameters of 145.9, 63.3 and 36.5 nm are prepared using a supercritical hydrothermal synthesis method. Strong particle size dependence on electrocatalytic activity are confirmed that is attributed to physical properties. Finally, a highly active Co3O4 thin film electrode for OER developed by a facile chemical solution deposition (CSD) method using ethyl cellulose additive are suggested. An ethyl cellulose additive in a precursor solution are found to be essential for the morphology control that is crucial to enhance the inherent OER catalytic performance by the distribution of Co3O4 nanoparticle catalysts on the substrate.
As a second step, we demonstrate on-line system to quantify gas phase products from the CO2 reduction study. Two systems, open and closed, integrated with the GC will be described. Also, as an example for using these systems, Au electrode that is well known for CO generation from CO2 reduction are tested.
Ultimately, we describe the fabrications and characterizations of each component in the monolithic solar-fuel cells. By using photovoltaics such as a dye-sensitized solar cell (DSSC) module, InGaP/GaAs, and Cu(InxGa1-x)(SySe1-y)2 (CIGS) thin film solar cell, we successfully fabricated solar-fuel device to generate the various fuels from water and CO2. Especially, solar-fuel device for CO2 reduction, nanostructured gold are applied as the electrocatalyst for selective reduction of CO2 to CO, since it requires relatively low overpotential with a high faradaic efficiency for CO2 reduction. Each component are successfully incorporated into a standalone solar-fuel device, with only ~5% coupling efficiency loss. We demonstrate that the actual device model has 4.23% solar to CO chemical conversion efficiency, which is comparable to or even higher than the conversion efficiency of photosynthesis in nature.
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