초정밀 계산을 통한 Al-도핑 SrTiO₃ 광촉매 물분해에서 높은 양자 효율 기원 이해

알루미늄(Al)-도핑 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3, STO) 광촉매는 전체 물분해 반응에서 96%의 외부 양자 효율(EQE)을 달성하여 기존의 약 10% EQE를 가진 전통적 물분해 광촉매를 훨씬 능가합니다. 그러나 Al-도핑 STO에서 높은 양자 효율의 기원과 도펀트가 광촉매 성능을 향상시키는 내재적 메커니즘에 대한 포괄적이고 체계적인 설명은 아직까지 없습니다. 본 연구에서는 초정밀 계산을 활용해 STO (100), STO (110), STO (210) 결정면의 전자구조와 촉매 활성을 연구했습니다. 계산 결과는 서로 다른 STO 결정면들이 밴드 에지 불일치 특성을 보임을 명확히 밝혔습니다. 이 불일치는 저지수 STO (100) 면이 광발생 전자를 포획하여 수소 발생 반응(HER)에 활용할 수 있게 하며, 반면 고지수 STO 면들은 광발생 정공을 선호적으로 포획해 산소 발생 반응(OER)을 촉진하는 경향을 나타냅니다. 특히, 높은 가전자대 정렬을 가진 STO (210) 면은 상대적으로 우수한 성능을 보였습니다. 산소 결함은 (100) 면에서 HER 성능을 효과적으로 활성화하여 HER의 자유 에너지 변화(ΔG*H)를 2.32 eV에서 0.89 eV로 낮추었습니다. 동시에 Al 도펀트는 STO (210) 면에서 격자 산소 메커니즘(LOM) 경로를 활성화하여, 흡착진화 메커니즘(AEM) 경로 내 최소 OER 과전압 0.86 V에서 0.60 V로 OER 과전압을 추가로 감소시켜 OER의 촉매 활성을 증진시켰습니다. LOM 경로에서 Al-도핑 STO (210) 면의 낮은 OER 과전압은 p-밴드 중심 모델로 합리적으로 설명할 수 있습니다. 결정면 의존적 결함 조절 전략은 HER 및 OER 활성을 공동 최적화할 수 있게 하여 고양자 효율 광촉매 설계의 패러다임을 제공합니다.