광전자화학 물 분해는 녹색 수소 생산을 위한 이상적인 에너지 변환 기술입니다. 다양한 금속 산화물이 광전자화학 물 분해 성능 향상을 위한 효율적인 반도체 재료로 사용되고 있습니다. 그 중에서도 텅스텐 트리옥사이드(WO₃)는 적당한 밴드 갭, 긴 홀 확산 길이, 높은 전도성 등으로 인해 높은 관심을 받고 있습니다. 그러나, WO₃ 는 광 수확 효율, 표면 반응 속도 및 전하 캐리어 분리/전달 능력의 한계로 인해 광전기화학 물 분해 적용에 어려움을 겪고 있습니다.

본 연구에서는 초고속 화염 어닐링 공정의 열 충격으로 표면 처리된 화염 Fe, Sn 공동 도핑된 2D 나노시트 WO₃ 구조의 설계를 보고합니다. 급속 화염 도핑법은 WO₃ 모폴로지에 영향을 미치지 않고 기판을 손상시키지 않으면서 금속 도펀트를 용이하게 도입할 수 있고, WO₃ 전극의 전자 구조 및 표면 촉매 특성을 제어할 수 있는 상당히 효율적인 대안으로 평가받고 있습니다. 또, 상기 도핑 공정에서 고온을 이용한 화염 도핑법은 기판 내에 자연적으로 존재하는 Sn 의 농도 구배를 갖는 도핑을 가능하게 합니다. 졸-화염 도핑에 의해 Fe, Sn 이 공동 도핑된 WO₃ 는 광전기화학적 물 산화를 위한 전하 분리 및 수송, 그리고 표면 촉매 활성이 개선되어 수소 전극 (RHE) 대비 1.23 V 에서 기존 WO₃ 에 비해 6.16 배 더 높은 1.45 mA cm-2 의 광전류 밀도를 보였습니다. Fe, Sn 공동 도핑을 통해 밴드 갭과 격자 구조의 큰 변화 없이 WO₃ 의 전자 상태를 제어하는 동시에, 전하 전달 효율과 전하 수송 효율 모두에서 놀라운 향상을 달성하였습니다. 본 연구는 광전기화학 물 산화를 촉진하기 위해 졸-화염 도핑 공정에 의한 전이금속 산화물에서의 Fe, Sn 공동 도핑 조정을 위한 지침을 제공합니다.