에어로졸-젤 공정 기반 다공성 이산화티타늄 나노입자의 합성과 이들의 광촉매 및 광전 변환 향상 특성 연구 Brij-58 Surfactant-Templated Aerosol-Gel Synthesis of Porous TiO2 Nanoparticles for Enhancing Their Photocatalytic and Photovoltaic Reactivity원문보기
본 연구에서는 비이온성 계면활성제인 Brij-58을 템플릿으로 한 에어로졸-젤 및 열처리 공정을 사용하여 속이 꽉 찬(solid) 및 다공성(porous) TiO2 나노입자를 제조하였다. Brij-58 계면활성제는 ...
본 연구에서는 비이온성 계면활성제인 Brij-58을 템플릿으로 한 에어로졸-젤 및 열처리 공정을 사용하여 속이 꽉 찬(solid) 및 다공성(porous) TiO2 나노입자를 제조하였다. Brij-58 계면활성제는 TiO2매트릭스 내부의 기공 구조를 지지하는 템플릿 매개체로 사용되었으며, TiO2 나노입자의 다공성은 Brij-58의 농도를 변화시킴으로써 제어하였다. 550 ℃ 이하에서 소결된 TiO2 나노입자의 아나타제상(Anatase phase)은 보다 작은 주입자(Primary particle) 크기를 갖는 것으로 관찰되었으며 메틸렌 블루(Methylene blue) 용액에 대해 더 높은 광분해 효율을 얻을 수 있었다. 하지만, 열처리 온도가 550 ℃ 이상으로 증가하는 경우 소결 과정에 따라 주입자 크기가 크게 증가하면서 TiO2 나노입자의 광촉매 반응성이 급격하게 저하됨을 관찰하였다. 또한, Brij-58 계면활성제의 양을 변화시켜 TiO2 나노입자의 다공성을 조절한 후 촉매의 물성 변화를 관찰하고 자외선 조사시 유기물의 광분해 실험을 통해 TiO2 나노입자의 촉매 활성도를 평가하였다. 상대적으로 더 큰 비표면적 및 기공 부피를 갖는 다공성 TiO2 나노입자의 경우에 속이 꽉 찬 TiO2 나노입자에 비해 메틸렌 블루(Methylene blue) 용액을 더 빠르게 광분해 하는 것을 최종적으로 관찰하였다. 또한, 합성된 다공성 TiO2 나노입자를 염료감응형 태양전지의 광전활성층에 적용하여 광전변환 특성을 측정한 결과 메조다공성 TiO2 나노입자를 기반으로 한 염료감응형 태양전지가 TiO2 내부에 첨가되었던 Brij-58 계면활성제의 함량이 증가할수록 다공성구조체의 큰 표면적을 생성하여 염료 흡착량이 증가하였고, 그 결과로써 태양광 입사시 단락전류밀도의 증가로 인해 광전변환효율이 크게 증가 하는 것을 관찰하였다. 결국 이것은 TiO2 나노입자의 크기, 결정 구조 및 비표면적이 촉매 반응성을 향상시키는데 결정적으로 중요한 역할을 하며, 본 연구에서 사용된 계면 활성제 템플릿 기반 에어로졸-젤 및 열처리 공정이 TiO2 나노입자의 다공성 생성을 도와 광촉매 및 광전변환 반응을 매우 높게 향상 시킬 수 있는 쉽고 효과적인 방안임을 시사한다.
본 연구에서는 비이온성 계면활성제인 Brij-58을 템플릿으로 한 에어로졸-젤 및 열처리 공정을 사용하여 속이 꽉 찬(solid) 및 다공성(porous) TiO2 나노입자를 제조하였다. Brij-58 계면활성제는 TiO2 매트릭스 내부의 기공 구조를 지지하는 템플릿 매개체로 사용되었으며, TiO2 나노입자의 다공성은 Brij-58의 농도를 변화시킴으로써 제어하였다. 550 ℃ 이하에서 소결된 TiO2 나노입자의 아나타제상(Anatase phase)은 보다 작은 주입자(Primary particle) 크기를 갖는 것으로 관찰되었으며 메틸렌 블루(Methylene blue) 용액에 대해 더 높은 광분해 효율을 얻을 수 있었다. 하지만, 열처리 온도가 550 ℃ 이상으로 증가하는 경우 소결 과정에 따라 주입자 크기가 크게 증가하면서 TiO2 나노입자의 광촉매 반응성이 급격하게 저하됨을 관찰하였다. 또한, Brij-58 계면활성제의 양을 변화시켜 TiO2 나노입자의 다공성을 조절한 후 촉매의 물성 변화를 관찰하고 자외선 조사시 유기물의 광분해 실험을 통해 TiO2 나노입자의 촉매 활성도를 평가하였다. 상대적으로 더 큰 비표면적 및 기공 부피를 갖는 다공성 TiO2 나노입자의 경우에 속이 꽉 찬 TiO2 나노입자에 비해 메틸렌 블루(Methylene blue) 용액을 더 빠르게 광분해 하는 것을 최종적으로 관찰하였다. 또한, 합성된 다공성 TiO2 나노입자를 염료감응형 태양전지의 광전활성층에 적용하여 광전변환 특성을 측정한 결과 메조다공성 TiO2 나노입자를 기반으로 한 염료감응형 태양전지가 TiO2 내부에 첨가되었던 Brij-58 계면활성제의 함량이 증가할수록 다공성구조체의 큰 표면적을 생성하여 염료 흡착량이 증가하였고, 그 결과로써 태양광 입사시 단락전류밀도의 증가로 인해 광전변환효율이 크게 증가 하는 것을 관찰하였다. 결국 이것은 TiO2 나노입자의 크기, 결정 구조 및 비표면적이 촉매 반응성을 향상시키는데 결정적으로 중요한 역할을 하며, 본 연구에서 사용된 계면 활성제 템플릿 기반 에어로졸-젤 및 열처리 공정이 TiO2 나노입자의 다공성 생성을 도와 광촉매 및 광전변환 반응을 매우 높게 향상 시킬 수 있는 쉽고 효과적인 방안임을 시사한다.
In this work, we fabricate solid and porous TiO2 nanoparticles (NPs) using Brij-58 surfactant-templated aerosol-gel process. Specifically Brij-58 surfactant is employed as a templating medium in TiO2 matrix. The porosity of TiO2 NPs is controlled by varying the initial amount of Brij-58, which is th...
In this work, we fabricate solid and porous TiO2 nanoparticles (NPs) using Brij-58 surfactant-templated aerosol-gel process. Specifically Brij-58 surfactant is employed as a templating medium in TiO2 matrix. The porosity of TiO2 NPs is controlled by varying the initial amount of Brij-58, which is thermally removed by post calcination process. Anatase phase of TiO2 NPs calcined at ≤ 550°C was found to have much higher photocatalytic reactivity than the anatase-to-rutile phases of TiO2 NPs calcined at > 550°C. It is because anatase phase of TiO2 NPs have smaller particle size, higher Fermi level, and higher degree of hydroxylation than anatae-to-rutile transition phases. And then, we examine the effect of TiO2 structures on the photocatalytic reactivity by employing the solid and porous TiO2 NPs with anatase phase fabricated in this study. The solid and various porous TiO2 NPs are dispersed in to the methylene blue (MB)-dissolved aqueous solution, and then the photocatalytic degradation of MB is measured as a function of UV light exposure duration. As the results, the highly porous TiO2 NPs have much better photocatalytic reactivity than the solid and poorly porous TiO2 NPs. The synthesized mesoporous TiO2 NPs were also applied to the photoactive layer of dye-sensitized solar cell (DSSC) to examine their photovoltaic reactivity. As the content of Brij-58 template added in the TiO2 is increased, the specific surface area of porous TiO2 is increased so that the amount of dye adsorption is significantly increased. As a result, it is observed that the photovoltaic conversion efficiency of DSSC is greatly increased due to the increase of the short circuit current density in the incident sunlight. This suggests that the particle size, crystallite structure, and specific surface area of TiO2 NPs play an important role in enhancing both the photocatalytic and photovoltaic reactivity.
In this work, we fabricate solid and porous TiO2 nanoparticles (NPs) using Brij-58 surfactant-templated aerosol-gel process. Specifically Brij-58 surfactant is employed as a templating medium in TiO2 matrix. The porosity of TiO2 NPs is controlled by varying the initial amount of Brij-58, which is thermally removed by post calcination process. Anatase phase of TiO2 NPs calcined at ≤ 550°C was found to have much higher photocatalytic reactivity than the anatase-to-rutile phases of TiO2 NPs calcined at > 550°C. It is because anatase phase of TiO2 NPs have smaller particle size, higher Fermi level, and higher degree of hydroxylation than anatae-to-rutile transition phases. And then, we examine the effect of TiO2 structures on the photocatalytic reactivity by employing the solid and porous TiO2 NPs with anatase phase fabricated in this study. The solid and various porous TiO2 NPs are dispersed in to the methylene blue (MB)-dissolved aqueous solution, and then the photocatalytic degradation of MB is measured as a function of UV light exposure duration. As the results, the highly porous TiO2 NPs have much better photocatalytic reactivity than the solid and poorly porous TiO2 NPs. The synthesized mesoporous TiO2 NPs were also applied to the photoactive layer of dye-sensitized solar cell (DSSC) to examine their photovoltaic reactivity. As the content of Brij-58 template added in the TiO2 is increased, the specific surface area of porous TiO2 is increased so that the amount of dye adsorption is significantly increased. As a result, it is observed that the photovoltaic conversion efficiency of DSSC is greatly increased due to the increase of the short circuit current density in the incident sunlight. This suggests that the particle size, crystallite structure, and specific surface area of TiO2 NPs play an important role in enhancing both the photocatalytic and photovoltaic reactivity.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.