광촉매 활성, 강유전성, 고온초전도성을 지니는 다양한 신소재 화합물에 대한 연구 Studies on Various Advanced Materials with Photocatalytic Activity, Ferroelectricity and High Temperature Superconductivity원문보기
한글초록 :기능성 전이금속 산화물로부터 고상합성 및 층간 삽입을 통한 새로운 물질을 합성 및 특성평가를 수행하였다. 이러한 물질은 광촉매 활성, 강유전성, 고온 초전도성을 지니는 다양한 신소재 나노 화합물로서 그에 대한 특성을 규명하였다. 논문의 chapter 2, 3 에서는 효과적이고 ...
한글초록 :기능성 전이금속 산화물로부터 고상합성 및 층간 삽입을 통한 새로운 물질을 합성 및 특성평가를 수행하였다. 이러한 물질은 광촉매 활성, 강유전성, 고온 초전도성을 지니는 다양한 신소재 나노 화합물로서 그에 대한 특성을 규명하였다. 논문의 chapter 2, 3 에서는 효과적이고 가시광에서 활성인 물질을 전기음성도 차이를 이용한 non-transition metal의 양이온 치환을 이용하여 밴드갭을 조절할 수 있도록 새로운 물질을 합성하였다. 이와 같은 합성은 고상합성법을 통하여 합성하였고, 균일한 단일상을 만들기 위하여 800C 에서 calcination을 하였고 각 물질에 대하여 1000 ~ 1130C 에서 반응을 시켰다. 이렇게 합성한 물질을 다양한 분석법을 이용하여 밴드갭 및 광활성 효과를 규명하여, 그 결과 전기음성도가 큰 물질을 치환하면 밴드갭을 줄일 수 있다는 것을 확인 하였고 이러한 밴드갭의 감소는 B-site의 전기음성도의 영향으로 CB의 변화로 추정할 수 있었다. 합성의 유무와 cell parameter, 결정구조는 X-ray 결정분석, 물질의 형상 및 사이즈를 FE-SEM으로 확인할 수 있었다. 특히 UV-vis spectrocopy와 광원실험을 통하여 합성물질의 밴드갭 및 광효과가 일반 광촉매 물질보다 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과들은 페로브스카이트 구조인 ABO3에서 A-site에는 반경이 큰 양이온을 B-site에는 전기음성도가 큰 양이온을 치환하면 가장 효과적인 물질을 만들 수 있다는 것을 규명할 수 있었다.논문의 chapter 4 에서는 반도체 화합물인 Aurivillius-type titanate 에 대해 합성 실험을 수행 하였다. 이러한 화합물은 층상 페로프스카이트 구조의 일종인 Aurivillius-type 구조를 가지며 현재에는 non-volatile인 ferroelectric random access memory(FRAM) 물질로서 많이 연구되어 지고있다. 동시에 이 화합물은 반도체 특성을 지니며 기존의 티타네이트 화합물에 비해 밴드갭이 작은 것으로 알려져 광촉매로 사용될 것으로 기대된다. 출발물질을 조성에 맞게 혼합한 후 900C 에서 24시간 동안 열처리와 1000C에서 24시간 동안 열처리를 수행함으로서 합성하였다. 양이온 치환을 통하여 구조의 변화와 더불어 환원시 유발되는 구조 안정성의 변화를 조사하기 위하여 합성된 화합물을 아르곤 분위기 하에서 900C 에서 24시간 동안 열처리 하여 환원된 시료를 얻었다. 합성된 화합물의 결정구조와 전자구조 연구를 위하여 XRD와 XAS 분석을 수행하였다. 얻어진 이 화합물들의 콜로이드 용액은 나노하이브리드 화합물의 호스트 물질로 매우 적합할 것으로 판단 될 뿐 아니라 FRAM 소자를 만드는데 있어서 박리화 기술을 이용하면 보다 효과적으로 박막을 만들 수 있으므로 큰 산업적 가치를 지닐 것으로 기대되며, 광촉매 재료로 이용할 경우 광촉매를 이용한 소자 즉, 태양전지, 공기정화용 광촉매 막 등을 만드는데 적용되어 질 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어, 현재 Aurrivillius-type 구조를 지니는 비스무스 티타네이트 화합물에 있어서 비스무스 양에 따른 물성과 결합특성의 변화에 대한 연구를 수행하고 있다.논문의 chapter 5에서는 박리화-재조합 전략으로 ZnOx 입자와 clay 화합물간의 하이브리드 화합물을 합성하여 이들에 대한 특성평가를 위하여 XRD, BET, SEM, UV-vis, TG-DTA등 분석을 수행하였다. 이러한 실험으로부터 다른 여러가지 음이온 콜로이드와 양이온 입자의 재결합에 이용할 수 있을 뿐 만 아니라 가시광활성을 띄는 물질과의 재 결합함으로써 밴드갭 조절 및 광활성에 대한 체계적인 연구를 할 수 있는 획기적인 연구라 볼 수 있다.마지막으로 chapter 6, 7 에서는 RuSr2GdCu2O8 초전도체 내의 구리와 루테늄 이온의 전자구조에 대해 연구하였다. 이를 위해 Sr 자리에 La, Ba, Ca을 치환함으로써 CuO2 와 RuO2 의 holedensity 와 거리를 조절하여 그에대한 물성과 결합특성을 확인 하였다. 이는 magnetic coupling 과 superconductivity의 상호작용에 대한 실험적인 증거를 보여주는 새로운 결과라 할 수 있다영문초록 :Semiconductive metal oxides or metal chalcogenides have received intense research interests for decades because of their activity for the photocatalytic decomposition of organic pollutants and water splitting. Such a photodissociation assisted by the photocatalysts starts from an electronic transition from the valence band (VB) to conduction band (CB) with the generation of electron-hole pairs. Among various semiconducting materials, titanium oxide has been the most intensively investigated material because it has many merits from economic and ecological points of view. However, due to its wide bandgap (Eg ~ 3.2 eV), TiO2 can absorb only a small fraction of solar energy (about 4% of total energy) and the overall photocatalytic efficiencyis usually very low. In this regard, bandgap engineering is very important in designing better photocatalyst.We have synthesized new efficient visible light active photocatalysts through the incorporation of highly electronegative non-transition metal Pb or Sn ions into the perovskite lattice of Ba(In1/3M1/3M’1/3)O3 (M = Sn, Pb; M’ = Nb, Ta). X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopic, and energy dispersive spectroscopic microprobe analyses reveal that tetravalent Pb or Sn ions exist in the B-site of the perovskite lattice, along with In and Nb/Ta ions. According to diffuse UV-vis spectroscopic analysis, the Pb-containing quaternary metal oxides Ba(In1/3Pb1/3M’1/3)O3 possess a much narrower bandgap (Eg ~ 1.48-1.50 eV) compared to ternary oxides Ba(In1/2M’1/2)O3 (Eg ~ 2.97-3.30 eV) and the Sn-containing Ba(In1/3Sn1/3M’1/3)O3 derivatives (Eg ~ 2.85-3.00 eV). Such a variation of bandgap energy upon the substitution is attributable to the broadening of conduction band caused by the dissimilar electronegativities of the B-site cations. In contrast to the ternary or the Sn-substituted quaternary compounds showing photocatalytic activity under UV-vis irradiation, the Ba(In1/3Pb1/3M’1/3)O3 compounds induce an efficient photodegradation of 4-chlorophenol under visible light irradiation (> 420 nm). The present results highlight that the substitution of electronegative non-transition metal cations can provide a very powerful way of developing efficient visible light harvesting photocatalysts through tuning of the band structure of semiconductive metal oxide.The discovery of the coexistence of ferromagnetism and superconductivity in ruthenocuprates RuSr2LnCu2O8 (Ln = Gd, Eu) has evoked intense research interests since it can provide an opportunity for understanding the effects of intrinsic magnetic field on the superconducting properties of layered copper oxides. Over the past decade, there have been many research activities performed on the physico-chemical properties of these magnetic superconductors, which include spin alignment and interaction, superconductivity, crystal and electronic structures, and so on.We have investigated systematically the effects of La substitution on the chemical bonding nature and physical properties of magnetic RuSr2-xLaxGdCu2O8 superconductors. X-ray diffraction and energy dispersive spectroscopic microprobe analyses reveal that a fraction of Sr ions can be successfully replaced by La ions with the contraction of unit cell volume. According to electrical resistance and dc magnetization measurements, the La substitution gives rise to the significant reduction of superconducting transition temperature (Tc) but to the increase of magnetic ordering temperature with depressed remanent magnetization. Ru K- and Cu K-edge X-ray absorption spectroscopic results clarify that average Ru and Cu oxidation states decrease upon the La substitution. Based on the spectroscopic evidences presented here, we are able to attribute the Tc reduction upon the La substitution to the depletion of the hole density in CuO2 layers, and the accompanying variation of magnetic coupling behavior to the change of Ru oxidation state, respectively
한글초록 :기능성 전이금속 산화물로부터 고상합성 및 층간 삽입을 통한 새로운 물질을 합성 및 특성평가를 수행하였다. 이러한 물질은 광촉매 활성, 강유전성, 고온 초전도성을 지니는 다양한 신소재 나노 화합물로서 그에 대한 특성을 규명하였다. 논문의 chapter 2, 3 에서는 효과적이고 가시광에서 활성인 물질을 전기음성도 차이를 이용한 non-transition metal의 양이온 치환을 이용하여 밴드갭을 조절할 수 있도록 새로운 물질을 합성하였다. 이와 같은 합성은 고상합성법을 통하여 합성하였고, 균일한 단일상을 만들기 위하여 800C 에서 calcination을 하였고 각 물질에 대하여 1000 ~ 1130C 에서 반응을 시켰다. 이렇게 합성한 물질을 다양한 분석법을 이용하여 밴드갭 및 광활성 효과를 규명하여, 그 결과 전기음성도가 큰 물질을 치환하면 밴드갭을 줄일 수 있다는 것을 확인 하였고 이러한 밴드갭의 감소는 B-site의 전기음성도의 영향으로 CB의 변화로 추정할 수 있었다. 합성의 유무와 cell parameter, 결정구조는 X-ray 결정분석, 물질의 형상 및 사이즈를 FE-SEM으로 확인할 수 있었다. 특히 UV-vis spectrocopy와 광원실험을 통하여 합성물질의 밴드갭 및 광효과가 일반 광촉매 물질보다 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과들은 페로브스카이트 구조인 ABO3에서 A-site에는 반경이 큰 양이온을 B-site에는 전기음성도가 큰 양이온을 치환하면 가장 효과적인 물질을 만들 수 있다는 것을 규명할 수 있었다.논문의 chapter 4 에서는 반도체 화합물인 Aurivillius-type titanate 에 대해 합성 실험을 수행 하였다. 이러한 화합물은 층상 페로프스카이트 구조의 일종인 Aurivillius-type 구조를 가지며 현재에는 non-volatile인 ferroelectric random access memory(FRAM) 물질로서 많이 연구되어 지고있다. 동시에 이 화합물은 반도체 특성을 지니며 기존의 티타네이트 화합물에 비해 밴드갭이 작은 것으로 알려져 광촉매로 사용될 것으로 기대된다. 출발물질을 조성에 맞게 혼합한 후 900C 에서 24시간 동안 열처리와 1000C에서 24시간 동안 열처리를 수행함으로서 합성하였다. 양이온 치환을 통하여 구조의 변화와 더불어 환원시 유발되는 구조 안정성의 변화를 조사하기 위하여 합성된 화합물을 아르곤 분위기 하에서 900C 에서 24시간 동안 열처리 하여 환원된 시료를 얻었다. 합성된 화합물의 결정구조와 전자구조 연구를 위하여 XRD와 XAS 분석을 수행하였다. 얻어진 이 화합물들의 콜로이드 용액은 나노하이브리드 화합물의 호스트 물질로 매우 적합할 것으로 판단 될 뿐 아니라 FRAM 소자를 만드는데 있어서 박리화 기술을 이용하면 보다 효과적으로 박막을 만들 수 있으므로 큰 산업적 가치를 지닐 것으로 기대되며, 광촉매 재료로 이용할 경우 광촉매를 이용한 소자 즉, 태양전지, 공기정화용 광촉매 막 등을 만드는데 적용되어 질 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어, 현재 Aurrivillius-type 구조를 지니는 비스무스 티타네이트 화합물에 있어서 비스무스 양에 따른 물성과 결합특성의 변화에 대한 연구를 수행하고 있다.논문의 chapter 5에서는 박리화-재조합 전략으로 ZnOx 입자와 clay 화합물간의 하이브리드 화합물을 합성하여 이들에 대한 특성평가를 위하여 XRD, BET, SEM, UV-vis, TG-DTA등 분석을 수행하였다. 이러한 실험으로부터 다른 여러가지 음이온 콜로이드와 양이온 입자의 재결합에 이용할 수 있을 뿐 만 아니라 가시광활성을 띄는 물질과의 재 결합함으로써 밴드갭 조절 및 광활성에 대한 체계적인 연구를 할 수 있는 획기적인 연구라 볼 수 있다.마지막으로 chapter 6, 7 에서는 RuSr2GdCu2O8 초전도체 내의 구리와 루테늄 이온의 전자구조에 대해 연구하였다. 이를 위해 Sr 자리에 La, Ba, Ca을 치환함으로써 CuO2 와 RuO2 의 hole density 와 거리를 조절하여 그에대한 물성과 결합특성을 확인 하였다. 이는 magnetic coupling 과 superconductivity의 상호작용에 대한 실험적인 증거를 보여주는 새로운 결과라 할 수 있다영문초록 :Semiconductive metal oxides or metal chalcogenides have received intense research interests for decades because of their activity for the photocatalytic decomposition of organic pollutants and water splitting. Such a photodissociation assisted by the photocatalysts starts from an electronic transition from the valence band (VB) to conduction band (CB) with the generation of electron-hole pairs. Among various semiconducting materials, titanium oxide has been the most intensively investigated material because it has many merits from economic and ecological points of view. However, due to its wide bandgap (Eg ~ 3.2 eV), TiO2 can absorb only a small fraction of solar energy (about 4% of total energy) and the overall photocatalytic efficiency is usually very low. In this regard, bandgap engineering is very important in designing better photocatalyst.We have synthesized new efficient visible light active photocatalysts through the incorporation of highly electronegative non-transition metal Pb or Sn ions into the perovskite lattice of Ba(In1/3M1/3M’1/3)O3 (M = Sn, Pb; M’ = Nb, Ta). X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopic, and energy dispersive spectroscopic microprobe analyses reveal that tetravalent Pb or Sn ions exist in the B-site of the perovskite lattice, along with In and Nb/Ta ions. According to diffuse UV-vis spectroscopic analysis, the Pb-containing quaternary metal oxides Ba(In1/3Pb1/3M’1/3)O3 possess a much narrower bandgap (Eg ~ 1.48-1.50 eV) compared to ternary oxides Ba(In1/2M’1/2)O3 (Eg ~ 2.97-3.30 eV) and the Sn-containing Ba(In1/3Sn1/3M’1/3)O3 derivatives (Eg ~ 2.85-3.00 eV). Such a variation of bandgap energy upon the substitution is attributable to the broadening of conduction band caused by the dissimilar electronegativities of the B-site cations. In contrast to the ternary or the Sn-substituted quaternary compounds showing photocatalytic activity under UV-vis irradiation, the Ba(In1/3Pb1/3M’1/3)O3 compounds induce an efficient photodegradation of 4-chlorophenol under visible light irradiation (> 420 nm). The present results highlight that the substitution of electronegative non-transition metal cations can provide a very powerful way of developing efficient visible light harvesting photocatalysts through tuning of the band structure of semiconductive metal oxide.The discovery of the coexistence of ferromagnetism and superconductivity in ruthenocuprates RuSr2LnCu2O8 (Ln = Gd, Eu) has evoked intense research interests since it can provide an opportunity for understanding the effects of intrinsic magnetic field on the superconducting properties of layered copper oxides. Over the past decade, there have been many research activities performed on the physico-chemical properties of these magnetic superconductors, which include spin alignment and interaction, superconductivity, crystal and electronic structures, and so on.We have investigated systematically the effects of La substitution on the chemical bonding nature and physical properties of magnetic RuSr2-xLaxGdCu2O8 superconductors. X-ray diffraction and energy dispersive spectroscopic microprobe analyses reveal that a fraction of Sr ions can be successfully replaced by La ions with the contraction of unit cell volume. According to electrical resistance and dc magnetization measurements, the La substitution gives rise to the significant reduction of superconducting transition temperature (Tc) but to the increase of magnetic ordering temperature with depressed remanent magnetization. Ru K- and Cu K-edge X-ray absorption spectroscopic results clarify that average Ru and Cu oxidation states decrease upon the La substitution. Based on the spectroscopic evidences presented here, we are able to attribute the Tc reduction upon the La substitution to the depletion of the hole density in CuO2 layers, and the accompanying variation of magnetic coupling behavior to the change of Ru oxidation state, respectively
주제어
#photocatalysts electronegativity narrower band gap RuSr2GdCu2O8 mixed oxidation state X-ray absorption spectroscopic underdoped hole density charge reservior
학위논문 정보
저자
허수길
학위수여기관
건국대학교
학위구분
국내석사
학과
신기술융합(학과간)학과
발행연도
2006
총페이지
vi, 142 p.
키워드
photocatalysts electronegativity narrower band gap RuSr2GdCu2O8 mixed oxidation state X-ray absorption spectroscopic underdoped hole density charge reservior
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