CdZnS/ZnO 복합체를 저온에서의 침전 및 건조 과정을 거쳐 제조한 다음, 가시광선 조사하에서 로다민 B 염료의 광분해에 대한 광촉매로서의 활성 특히 광촉매 재활용 특성에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 광반응 과정에서의 광촉매 변화를 조사하기 위해 X선 회절분석기, 전계방사형 주사전자현미경, X-선 광전자 분광법, UV-vis 확산반사 분광법 그리고 광자발광 분광기 등을 이용하여 반응 전후의 광촉매 시료에 대해 물성분석을 행하였다. 계속적으로 반복되는 반응을 통하여 CdZnS/ZnO 광촉매는 보다 향상되고 안정된 활성을 나타냄을 볼 수 있었다. 로다민 B의 광분해반응에 대해 가능한 두 가지의 반응기구 중에서도 본 연구에서는 발색단 골격의 탈알킬화 반응보다는 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을 거쳐 주로 반응이 진행되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과들로부터 단순 침전법으로 용이하게 제조할 수 있는 CdZnS/ZnO는 비교적 높은 활성과 재활용성을 지닌 가시광선용 광촉매로 사용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
CdZnS/ZnO 복합체를 저온에서의 침전 및 건조 과정을 거쳐 제조한 다음, 가시광선 조사하에서 로다민 B 염료의 광분해에 대한 광촉매로서의 활성 특히 광촉매 재활용 특성에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 광반응 과정에서의 광촉매 변화를 조사하기 위해 X선 회절분석기, 전계방사형 주사전자현미경, X-선 광전자 분광법, UV-vis 확산반사 분광법 그리고 광자발광 분광기 등을 이용하여 반응 전후의 광촉매 시료에 대해 물성분석을 행하였다. 계속적으로 반복되는 반응을 통하여 CdZnS/ZnO 광촉매는 보다 향상되고 안정된 활성을 나타냄을 볼 수 있었다. 로다민 B의 광분해반응에 대해 가능한 두 가지의 반응기구 중에서도 본 연구에서는 발색단 골격의 탈알킬화 반응보다는 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을 거쳐 주로 반응이 진행되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과들로부터 단순 침전법으로 용이하게 제조할 수 있는 CdZnS/ZnO는 비교적 높은 활성과 재활용성을 지닌 가시광선용 광촉매로 사용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
CdZnS/ZnO composite was prepared through low-temperature precipitation and drying method. The property of CdZnS/ZnO as a recyclable photocatalyst for the degradation of rhodamine B (RhB) under visible light irradiation was examined. The sample was characterized by XRD, FE-SEM, XPS, UV-vis DRS and ph...
CdZnS/ZnO composite was prepared through low-temperature precipitation and drying method. The property of CdZnS/ZnO as a recyclable photocatalyst for the degradation of rhodamine B (RhB) under visible light irradiation was examined. The sample was characterized by XRD, FE-SEM, XPS, UV-vis DRS and photoluminescence techniques before and after repeated reaction to investigate the change of properties during the photocatalytic reaction. During repeated reaction, the CdZnS/ZnO showed an improved photocatalytic activity and recycle stability. Among two feasible reaction pathways for photocatalytic degradation of RhB, the cleavage of conjugated chromophore was found to predominate over N-dealkylation of chromophore skeleton in the present work. The results indicate that the CdZnS/ZnO, prepared by a simple precipitation method, can be used as a visible-light driven photocatalyst with enhanced cycle stability and activity.
CdZnS/ZnO composite was prepared through low-temperature precipitation and drying method. The property of CdZnS/ZnO as a recyclable photocatalyst for the degradation of rhodamine B (RhB) under visible light irradiation was examined. The sample was characterized by XRD, FE-SEM, XPS, UV-vis DRS and photoluminescence techniques before and after repeated reaction to investigate the change of properties during the photocatalytic reaction. During repeated reaction, the CdZnS/ZnO showed an improved photocatalytic activity and recycle stability. Among two feasible reaction pathways for photocatalytic degradation of RhB, the cleavage of conjugated chromophore was found to predominate over N-dealkylation of chromophore skeleton in the present work. The results indicate that the CdZnS/ZnO, prepared by a simple precipitation method, can be used as a visible-light driven photocatalyst with enhanced cycle stability and activity.
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문제 정의
이전의 연구를 통하여 CdZnS/ZnO 형태의 복합체 광촉매는 비교적 손쉬운 방법으로 제조할 수 있으며 또한 가시광선용 광촉매로서의 활성을 지니고 있음을 알 수 있었다[18]. 따라서 본 연구에서는 CdZnS/ZnO 광촉매를 단순 침전법으로 제조한 다음, 가시광선 조사 하에서 로다민(rhodamine) B 염료의 광분해에 대한 활성 특히 광촉매 재활용 특성에 대해 중점을 두고 고찰하였다.
제안 방법
그리고 본 연구에서는, CdZnS 형태의 황화물 중에서도Cd0.5Zn0.5S의 조성을 지닌 황화물 그리고 CdZnS:ZnO = 1:4의비율을 지닌 화합물을 광촉매로 택하였으며, 이는 이와 같은v형태의 조성을 지닌 화합물에서 밴드갭의 넓이와 전도대의 위치가 적절한 조화를 이루어 광촉매로서의 활성이 가장 우수한 것으로 발표되고 있기 때문이다[16].
제조된 촉매들의 결정구조와 광촉매 반응과정에서의 결정구조 변화를 확인하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffracto-meter, XRD; Philips X’pert diffractometer/Cu Kα radiation)를 이용하여 2q = 10 ~ 80o 범위에서 결정각을 확인하였으며, 합성된 물질들의 입자 크기 및 입자 형태 등을 알아보기 위해 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM; JSM-6700F, JEOL)을 이용하였다.
100 mL 크기의 광촉매 반응기는 Pyrex로 제작하였으며 광원 방향에 석영창(quartz window)을 장착하였다. 광촉매의 농도는 예비실험을 통하여 최적으로 나타난 3 g L-1로 하고 반응물인 로다민 B의 초기 농도는 10-5 mol L-1로 하여 실험을진행하였다. 반응기에 조사되는 광원으로는 300 W 제논램프를 사용하였으며 420 nm 필터를 사용하여 자외선을 차단한 가시광선영역 하에서 실험을 진행하였다.
광반응을 시작하기전에 반응물의 흡탈착 평형을 위해 광이 조사되지 않는 조건하에서 광촉매를 포함한 반응용액을 30 분 동안 교반한 다음, 광촉매 반응을 시작하였다. 광촉매 반응이 진행되는 동안 반응용액은 자석 교반기로 교반하였고, 반응물을 일정 시간 간격으로 채취하여 분광광도계(Optizen POP)를 이용하여 분석하였다. 광촉매의 재활용 특성을 조사하기 위해서는 동일한 광분해 반응 실험을 3번 이상 연속적으로 반복하였으며, 각각의 실험이 끝날 때마다 원심분리하여 광촉매를 회수한 후 새로운 로다민 B 용액에 첨가하여 광촉매 실험을 진행하였다.
광촉매 반응이 진행되는 동안 반응용액은 자석 교반기로 교반하였고, 반응물을 일정 시간 간격으로 채취하여 분광광도계(Optizen POP)를 이용하여 분석하였다. 광촉매의 재활용 특성을 조사하기 위해서는 동일한 광분해 반응 실험을 3번 이상 연속적으로 반복하였으며, 각각의 실험이 끝날 때마다 원심분리하여 광촉매를 회수한 후 새로운 로다민 B 용액에 첨가하여 광촉매 실험을 진행하였다.
광촉매의 표면화학종과 그 상태를 조사하기 위해 X-선 광전자 분광분석을 수행하였고, 이 때 제조된 촉매들에 대해Cd, Zn, S, O, C 이외의 다른 물질들은 측정되지 않았다. 이때 CdZnS/ZnO 광촉매들의 Cd 3d, Zn 2p, S 2p, O 1s에 대한 스펙트라를 Figure 4에 나타내었다.
제조한 CdZnS/ZnO 광촉매에 대해서는, 가시광선 조사하에서 로다민 B의 광분해반응을 수행하여 그 활성을 평가하였다. 또한 광촉매의 재활용성도 측정하였으며, 이는 광촉매들의 실용적인 면에 있어서 안정성 혹은 재활용성이 중요하기 때문이다.
Figure 6에는 가시광선하에서 CdZnS/ZnO 촉매의 로다민 B 광분해 반응에 대한 활성 실험결과를 나타내었다. 실제 광촉매 활성측정에 있어서는 동일한 광촉매 반응을 최소 3번 이상 연속적 반복하여 실험을 진행하였으며, 이 때 각각의 광촉매 실험은 빛이 조사되지 않는 조건하에서 30분 흡착 및 계속적인 120 분의 광분해 반응 실험으로 구성하였다. 그리고 그 자체로도 대표적인 광촉매로 알려져 있는 ZnO만을 광촉매로 이용하여 동일한 조건하에서 실험을 수행한 결과도 함께 비교하였다.
실제 광촉매 활성측정에 있어서는 동일한 광촉매 반응을 최소 3번 이상 연속적 반복하여 실험을 진행하였으며, 이 때 각각의 광촉매 실험은 빛이 조사되지 않는 조건하에서 30분 흡착 및 계속적인 120 분의 광분해 반응 실험으로 구성하였다. 그리고 그 자체로도 대표적인 광촉매로 알려져 있는 ZnO만을 광촉매로 이용하여 동일한 조건하에서 실험을 수행한 결과도 함께 비교하였다.
먼저 광촉매를 첨가하지 않은 상태에서 로다민 B의 광분해특성을 조사하였으며, 광촉매가 없는 경우에는 가시광선 조사에 의해서 로다민 B의 광분해 현상이 관찰되지 않았다. ZnO 만을 광촉매로 사용한 경우를 보면 그 활성이 매우 낮음을 알 수 있으며, 이는 Figure 2에서도 불 수 있듯이 ZnO가 가시광선을 흡수하지 못하기 때문이다.
본 연구에 있어서도 Figure 6에서 볼 수 있듯이 반복되는 실험에 있어서 CdZnS/ZnO 광촉매의 활성이 증가한 원인을조사하기 위해 반응 전후의 광촉매에 대해 특성분석을 행하였다.
CdZnS/ZnO 복합체를 단순 침전법으로 제조한 다음, 가시광선 조사 하에서 로다민(rhodamine) B 염료의 광분해에 대한 광촉매로서의 활성 특히 광촉매 재활용 특성에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 저온에서의 침전 및 건조 과정을 거쳐제조한 CdZnS/ZnO 복합체 광촉매는 CdZnS 및 ZnO 각각에해당하는 고유한 결정구조를 지니고 있음을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
광촉매의 농도는 예비실험을 통하여 최적으로 나타난 3 g L-1로 하고 반응물인 로다민 B의 초기 농도는 10-5 mol L-1로 하여 실험을진행하였다. 반응기에 조사되는 광원으로는 300 W 제논램프를 사용하였으며 420 nm 필터를 사용하여 자외선을 차단한 가시광선영역 하에서 실험을 진행하였다. 광반응을 시작하기전에 반응물의 흡탈착 평형을 위해 광이 조사되지 않는 조건하에서 광촉매를 포함한 반응용액을 30 분 동안 교반한 다음, 광촉매 반응을 시작하였다.
이론/모형
제조된 촉매들의 결정구조와 광촉매 반응과정에서의 결정구조 변화를 확인하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffracto-meter, XRD; Philips X’pert diffractometer/Cu Kα radiation)를 이용하여 2q = 10 ~ 80o 범위에서 결정각을 확인하였으며, 합성된 물질들의 입자 크기 및 입자 형태 등을 알아보기 위해 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM; JSM-6700F, JEOL)을 이용하였다. 그리고 반응 전후의 촉매 표면의 조성을 알아보기 위해 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS; THERMO VG SCIENTIFIC Multi Lab 2000)을 사용하였다. 또한 제조된 촉매들의 흡광특성을 알아보기 위해 UV-vis 확산반사 분광법(UV-vis diffuse reflectance spectroscopy, UV-vis DRS; Varian Cary 100)을 이용하여 측정하였으며, 촉매의 분광학적 특징을살펴보기 위해 광자발광 분광기(photoluminescence spectro-meter, PL; Hitachi F-4500, Fluorescence spectrophotometer)를 사용하였다.
그리고 반응 전후의 촉매 표면의 조성을 알아보기 위해 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS; THERMO VG SCIENTIFIC Multi Lab 2000)을 사용하였다. 또한 제조된 촉매들의 흡광특성을 알아보기 위해 UV-vis 확산반사 분광법(UV-vis diffuse reflectance spectroscopy, UV-vis DRS; Varian Cary 100)을 이용하여 측정하였으며, 촉매의 분광학적 특징을살펴보기 위해 광자발광 분광기(photoluminescence spectro-meter, PL; Hitachi F-4500, Fluorescence spectrophotometer)를 사용하였다.
성능/효과
Figure 6에서 볼 수 있듯이, 연속적으로 반복한 광촉매 반응실험에 있어서 첫 번째 반응에 있어서는 CdZnS/ZnO 광촉매는 비교적 낮은 활성을 나타냄을 알 수 있다. 그러나 두 번째 및 세 번째 실험에 있어서 CdZnS/ZnO는 오히려 증가한 활성을 보였으며 그 활성도 거의 일정한 것을 알 수 있다. 이와같은 현상은 금속 황화물계 광촉매 반응에 있어서의 일반적인 실험결과, 즉 반복적인 반응실험에 있어서 광촉매 활성이 크게 감소하는 결과와는 매우 다르다는 것을 알 수 있다[9,13].
또한 UV-vis 확산반사 분광분석 결과(Figure 2)에서도 보면, 처음 제조된 광촉매에 비해서 반복 실험을 거친 광촉매 들의 가시광선 영역의 빛 흡수가 감소함을 알 수 있다. 따라서 CdZnS/ZnO 광촉매에 있어서 가시광선영역의 빛에 대한 흡광도는 전체 화합물중 CdZnS의 함량에 따라 증가한다는 사실로부터[25], 본 실험에 있어서의 광촉매 반응을 통하여 광촉매 표면으로부터 CdZnS도 일부 제거된다는 것을 유추할 수 있다. 이러한 결과들은 본 연구에 있어서 촉매제조 방법에 기인한 것으로 생각된다.
또한 최근에 발표된 보문에 의하면, 두 가지이상의 서로 다른 반도체 복합체에 있어서는 반도체간의 강한 접촉이 이루어질수록 상호간의 보다 효율적인 전자이송이 가능하게 되어 결과적으로 광조사에 의해 생성되는 전하이송체들의 분리가 용이한 것으로 알려져 있다[42,43]. 그러므로본 연구에서 사용한 CdZnS/ZnO 광촉매에 있어서도, CdZnS과 ZnO의 두 가지 반도체 물질사이의 강한 결합이 이루어질수록 작은 밴드갭을 지닌 CdZnS에서 가시광선에 의해 생성되는 광여기 전자가 ZnO으로 보다 용이하게 전달되고 이에의해 전하이송체들의 재결합이 억제되는 것으로 생각된다. 즉 반복되는 광촉매 반응과정을 통하여 ZnO 표면에 비교적 약하게 결합된 CdZnS가 제거되고 상대적으로 강한 결합을 이룬 CdZnS만이 ZnO 표면에 잔류한 CdZnS/ZnO 경우가 오히려 PL 피크강도가 작게 나타나는 것으로 추정된다.
즉 반복되는 광촉매 반응과정을 통하여 ZnO 표면에 비교적 약하게 결합된 CdZnS가 제거되고 상대적으로 강한 결합을 이룬 CdZnS만이 ZnO 표면에 잔류한 CdZnS/ZnO 경우가 오히려 PL 피크강도가 작게 나타나는 것으로 추정된다. 이상의 결과들로부터 본 연구에 있어서 반복되는 실험에 있어서 CdZnS/ ZnO 광촉매의 활성이 증가하는 이유를 추정해보면, 첫 번째 반응과정에서는 ZnO 표면에 비교적 약하게 결합된 CdZnS 일부가 박리되고 이에 의해 반응물의 흡착도 일부 불안정하게 됨으로써 광촉매 반응의 진행에 역효과가 나타나는 것으로 생각되며 또한 계속적으로 연속되는 광촉매 반응에 있어서는 상대적으로 강한 결합을 이룬 CdZnS만이 ZnO표면에잔류하는 CdZnS/ZnO가 형성됨으로써 가시광선 조사에 의해 생성되는 전자와 정공의 분리가 효율적으로 이루어져 광촉매 활성이 증가하는 것으로 추정된다. 그러나 이러한 실험결과에 대한 원인을 보다 정확하게 규명하기 위해서는 앞으로도 계속적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
그러나 광촉매 반응 과정에서 단파장쪽 옮김 현상은 나타나지 않음을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에 있어서CdZnS/ZnO 광촉매에 의한 로다민 B의 분해반응은 주로 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응기구를 통해서 진행된다는 것을 알 수 있다. 실제 이와 같은 염료성 오염물질의 광분해반응에 있어서 반응경로는 나름대로 중요성이 지니게 된다.
이상의 결과들을 종합해 볼 때, 단순 침전법으로 손쉽게 제조할 수 있는 CdZnS/ZnO는 비교적 높은 활성과 재활용성을 지닌 가시광선용 광촉매로 사용 가능한 것으로 생각된다.
CdZnS/ZnO 복합체를 단순 침전법으로 제조한 다음, 가시광선 조사 하에서 로다민(rhodamine) B 염료의 광분해에 대한 광촉매로서의 활성 특히 광촉매 재활용 특성에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 저온에서의 침전 및 건조 과정을 거쳐제조한 CdZnS/ZnO 복합체 광촉매는 CdZnS 및 ZnO 각각에해당하는 고유한 결정구조를 지니고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 소량의 Zn(OH)2도 표면에 형성되어 있음을 알 수있었다.
그리고 소량의 Zn(OH)2도 표면에 형성되어 있음을 알 수있었다. ZnO에 대해 CdZnS를 첨가함으로써 광흡수 범위를 가시광선 영역까지 확대할 수 있었고, 또한 광조사에 의해 생성되는 전자와 정공의 재결합 속도도 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. 연속적으로 반복한 광촉매 반응실험을 통하여, 첫 번째 실험에 있어서 CdZnS/ZnO 광촉매는 가시광선하에서 로다민 B 의 광분해에 대해 비교적 낮은 활성을 보였으나 계속되는 반복실험에 있어서는 보다 향상되고 안정한 활성을 나타냄을 볼 수 있었다.
ZnO에 대해 CdZnS를 첨가함으로써 광흡수 범위를 가시광선 영역까지 확대할 수 있었고, 또한 광조사에 의해 생성되는 전자와 정공의 재결합 속도도 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. 연속적으로 반복한 광촉매 반응실험을 통하여, 첫 번째 실험에 있어서 CdZnS/ZnO 광촉매는 가시광선하에서 로다민 B 의 광분해에 대해 비교적 낮은 활성을 보였으나 계속되는 반복실험에 있어서는 보다 향상되고 안정한 활성을 나타냄을 볼 수 있었다. 로다민 B의 광분해반응에서 일반적으로 나타나는 두 가지의 경쟁적인 반응기구, 즉 발색단 골격(chromophore skeleton)의 탈알킬화 반응(dealkylation) 혹은 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응 중 본 연구에 있어서 로다민 B의 광분해반응은 주로 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을통하여 반응이 진행되는 것으로 확인되었다.
연속적으로 반복한 광촉매 반응실험을 통하여, 첫 번째 실험에 있어서 CdZnS/ZnO 광촉매는 가시광선하에서 로다민 B 의 광분해에 대해 비교적 낮은 활성을 보였으나 계속되는 반복실험에 있어서는 보다 향상되고 안정한 활성을 나타냄을 볼 수 있었다. 로다민 B의 광분해반응에서 일반적으로 나타나는 두 가지의 경쟁적인 반응기구, 즉 발색단 골격(chromophore skeleton)의 탈알킬화 반응(dealkylation) 혹은 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응 중 본 연구에 있어서 로다민 B의 광분해반응은 주로 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을통하여 반응이 진행되는 것으로 확인되었다. 이상의 결과들로부터 단순 침전법으로 용이하게 제조할 수 있는 CdZnS/ZnO는 비교적 높은 활성과 재활용성을 지닌 가시광선용 광촉매로 사용 가능한 것임을 알 수 있었다.
로다민 B의 광분해반응에서 일반적으로 나타나는 두 가지의 경쟁적인 반응기구, 즉 발색단 골격(chromophore skeleton)의 탈알킬화 반응(dealkylation) 혹은 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응 중 본 연구에 있어서 로다민 B의 광분해반응은 주로 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을통하여 반응이 진행되는 것으로 확인되었다. 이상의 결과들로부터 단순 침전법으로 용이하게 제조할 수 있는 CdZnS/ZnO는 비교적 높은 활성과 재활용성을 지닌 가시광선용 광촉매로 사용 가능한 것임을 알 수 있었다.
후속연구
이상의 결과들로부터 본 연구에 있어서 반복되는 실험에 있어서 CdZnS/ ZnO 광촉매의 활성이 증가하는 이유를 추정해보면, 첫 번째 반응과정에서는 ZnO 표면에 비교적 약하게 결합된 CdZnS 일부가 박리되고 이에 의해 반응물의 흡착도 일부 불안정하게 됨으로써 광촉매 반응의 진행에 역효과가 나타나는 것으로 생각되며 또한 계속적으로 연속되는 광촉매 반응에 있어서는 상대적으로 강한 결합을 이룬 CdZnS만이 ZnO표면에잔류하는 CdZnS/ZnO가 형성됨으로써 가시광선 조사에 의해 생성되는 전자와 정공의 분리가 효율적으로 이루어져 광촉매 활성이 증가하는 것으로 추정된다. 그러나 이러한 실험결과에 대한 원인을 보다 정확하게 규명하기 위해서는 앞으로도 계속적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
예를 들면, 광촉매 표면에의 반응물인 로다민 B의 흡착방식[37,47], 광촉매의 전도대에 대한 로다민 B의 전자주개전위의 상대적인 위치[48], 광촉매반응 도중 과산화수소의 생성 여부[44] 등과 같이 여러 가지 요인이 반응경로에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있고 실제로 유사한 광촉매와 반응조건을 사용한 연구에 있어서도 각각 상이한 반응경로에 대한 결과들이 발표되기도 한다[49,50]. 따라서 광촉매를 이용한 로다민 B의 분해 반응에 있어서, 여러 가지 반응변수들이반응경로에 미치는 영향에 대해서는 앞으로도 계속적으로 체계적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 광촉매로서의 TiO2의 장점은 무엇인가?
TiO2, ZnO, Fe2O3, SnO2, WO3, CeO2, ZrO2, MoO3, CdS, ZnS 등을 포함하는 다양한 반도체 물질들이 비교적 작은 밴드갭(band gap)과 적절한 밴드 전위를 지니고 있어 실용가능한 광촉매로 채택되었고 실제로 널리 활용되고 있다[1]. 이와 같은 다양한 반도체 광촉매 중에서도 TiO2는 비교적 강한 산화력, 높은 화학적 안정성 및 내구성 그리고 낮은 독성 및 비용 등으로 인해 현재 광촉매로 가장 널리 사용되고 있다[2]. 그러나 TiO2는 비교적 큰 밴드갭으로 인해 자외선에 의해서만 활성화될 수 있다는 문제점을 지니고 있어, 광촉매 반응에서 궁극적으로 목표로 하는 가시광선용 광촉매로 활용하는데에 있어서는 한계점을 지니고 있다.
반도체 광촉매로서의 TiO2의 문제점과 한계점은 무엇인가?
이와 같은 다양한 반도체 광촉매 중에서도 TiO2는 비교적 강한 산화력, 높은 화학적 안정성 및 내구성 그리고 낮은 독성 및 비용 등으로 인해 현재 광촉매로 가장 널리 사용되고 있다[2]. 그러나 TiO2는 비교적 큰 밴드갭으로 인해 자외선에 의해서만 활성화될 수 있다는 문제점을 지니고 있어, 광촉매 반응에서 궁극적으로 목표로 하는 가시광선용 광촉매로 활용하는데에 있어서는 한계점을 지니고 있다. 따라서 현재까지도 TiO2 광촉매의 활성을 그대로 유지하면서도 빛 흡수를 가시광선 영역으로 확장하기 위한 많은 연구가 진행되고 왔다[3].
반도체 광촉매를 이용하는 오염처리 방법의 장점은 무엇인가?
최근 급속한 산업발전에 따라 많은 환경문제가 발생하였고, 이에 따라 환경오염 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 환경오염 문제 처리를 위한 여러 가지 방안중에서도 특히 반도체 광촉매를 이용하는 오염처리 방법은 궁극적으로는 재생가능한 에너지원인 태양광을 이용할 수 있고 또한 다양한 유기 및 무기 오염물을 분해처리할 수 있다는 점에서 학문적인 면에서 뿐만 아니라 실용적인 면에서 있어서도 큰 관심을 모으고 있다.
참고문헌 (50)
Etacheri, V., Valentin, C. D., Schneider, J., Bahnemann, D., and Pillai, S. C., "Visible-Light Activation of $TiO_2$ Photocatalysts: Advances in Theory and Experiments," J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev., 25, 1-29 (2015).
Kumar, S. G., and Devi, L. G., "Review on Modified $TiO_2$ Photocatalysis under UV/Visible Light: Selected Results and Related Mechanisms on Interfacial Charge Carrier Transfer Dynamics," J. Phys. Chem. A, 115, 13211-13241 (2011).
Hernandez-Ramirez, A., and Medina-Ramirez, I., in: Hernandez-Ramirez, A., and Medina-Ramirez, I., Eds., Semiconducting Materials in Photocatalytic Semiconductors, Synthesis, Characterization, and Environmental Applications, Springer, Switzerland, pp. 1-40 (2015).
Yue, X., Yi, S., Wang, R., Zhang, Z., and Qiu, S., "Cadmium Sulfide and Nickel Synergetic Co-catalysts Supported on Graphitic Carbon Nitride for Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Evolution," Sci. Rep., 6, 22268 (2016).
Zhu, H., Jianga, R., Xiao, L., Chang, Y., Guan, Y., Li, X., and Zeng, G., "Photocatalytic Decolorization and Degradation of Congo Red on Innovative Crosslinked Chitosan/Nano-CdS Composite Catalyst under Visible Light Irradiation," J. Hazard. Mater., 169, 933-940 (2009).
Fan, Y., Deng, M., Chen, G., Zhang, Q., Luo, Y., Li, D., and Meng, Q., "Effect of Calcination on the Photocatalytic Performance of CdS under Visible Light Irradiation," J. Alloy. Compd., 509, 1477-1481 (2011).
Chen, F., Jia, D., Cao, Y., Jin, X., and Liu, A., "Facile Synthesis of CdS Nanorods with Enhanced Photocatalytic Activity," Ceram. Int., 41, 14604-14609 (2015).
Sehati, S., and Entezari, M. H., "Sono-intercalation of CdS Nanoparticles into the Layers of Titanate Facilitates the Sunlight Degradation of Congo Red," J. Colloid Interface Sci., 462, 130-139 (2016).
Zhou, Y., Wang, Y., Wen, T., Zhang, S., Chang, B., and Guo, Y., "Mesoporous $Cd_{1-x}Zn_xS$ Microspheres with Tunable Bandgap and High Specific Surface Areas for Enhance Visible-Light-Driven Hydrogen Generation," J. Colloid Interface Sci., 467, 97-104 (2016).
Li, N., Zhou, B., Guo, P., Zhou, J., and Jing, D., "Fabrication of Noble-Metal-Free $Cd_{0.5}Zn_{0.5}S$ /NiS Hybrid Photocatalysts for Efficient Solar Hydrogen Evolution," Int. J. Hydrogen Energy, 38, 11268-11277 (2013).
Wang, X., Tian, H., Cui, X., Zheng, W., and Liu, Y., "One- Pot Hydrothermal Synthesis of Mesoporous $Zn_xCd_{1-x}S$ /Reduced Graphene Oxide Hybrid Material and Its Enhanced Photocatalytic Activity," Dalton Trans., 43, 12894-12903 (2014).
Narayanam, P. K., Soni, P., Srinivasa, R. S., Talwar, S. S., and Major, S. S., "Strong and Tunable Blue Luminescence from $Cd_{1-x}Zn_xS$ Alloy Nanocrystallites Grown in Langmuir-Blodgett Multilayers," J. Phys. Chem., C, 117, 4314-4325 (2013).
Lee, H. J., Jin, Y., Park, S. S., Hong, S. S., and Lee, G. D., "Photocatalytic Degradation of Rhodamine B Using $Cd_{0.5}Zn_{0.5}S$ /ZnO Photocatalysts under Visible Light Irradiation," Appl. Chem. Eng., 26, 356-361 (2015).
McBride, R. A., Kelly, J. M., and McCormack, D. E., "Growth of Well-Defined ZnO Microparticles by Hydroxide Ion Hydrolysis of Zinc Salts," J. Mater. Chem., 13, 1196-1201 (2003).
Khan, Z. R., Zulfequar, M., and Khan, M. S., "Chemical Synthesis of CdS Nanoparticles and Their Optical and Dielectric Studies," J. Mater, Sci., 46, 5412-5416(2011).
Sepulveda-Guzman, S., Reeja-Jayan, B., de la Rosa, E. Torres-Castro, A. Gonzalez-Gonzalez, V., and Jose-Yacaman, M., "Synthesis of Assembled ZnO Structures by Precipitation Method in Aqueous Media," Mater. Chem. Phys., 11, 172-178 (2009).
Kozlova, E. A., Markovskaya, D. A., Cherepanova, S. V., Saraev, A. A., Gerasimov, E. Y., Perevalov, T. V., Kaichev, V. V., and Parmon, V. N., "Novel Photoctalysts Based on $Cd_{1-x}Zn_xS/Zn(OH)_2$ for the Hydrogen Evolution from Water Solution of Ethanol," Int. J. Hydrogen Energy, 39, 18758-18769 (2014).
Wang, W., Zhu, W., and Xu, H., "Monodisperse, Mesoporous $Zn_xCd_{1-x}S$ Nanoparticles as Stable Visible-Light-Driven Photocatalysts," J. Phys. Chem. C, 112, 16754-16758 (2008).
Cui, W., Ma, S., Liu, L., Hu, J., Liang, Y., and McEvoy, J. G., "Photocatalytic Activity of $Cd_{1-x}Zn_xS/K_2Ti_4O_9$ for Rhodamine B Degradation under Visible Light Irradiation," Appl. Surf. Sci., 271, 171-181 (2013).
Li, D., Wu, Z., Xing, C., Jiang, D., Chen, M., Shi, W., and Yuan, S., "Novel $Zn_{0.8}Cd_{0.2}S/g-C_SN4$ Heterojunctions with Superior Visible-Light Photocatalytic Activity: Hydrothermal Synthesis and Mechanism Study," J. Mol. Catal. A: Chem., 395, 261-268 (2014).
Li, Y., Ye, M., Yang, C., Li, X., and Li, Y., "Composition- and Shape-Controlled Synthesis and Optical Properties of Alloyed Nanoparticles," Adv. Funct. Mater., 15, 433-441 (2005).
Kulkarni, S. K., Winkler, U., Deshmukh, N., Borse, P. H., Funk, R., and Umbach, E., "Investigations on Chemically Capped CdS, ZnS and ZnCdS Nanoparticles," Appl. Surf. Sci., 169-170, 438-446 (2001).
De la Rosa, E., Sepulveda-Guzman, S., Reeja-Jayan, B., Torres, A., Salas, P., Elizondo, M., and Jose-Yacaman, M., "Controlling the Growth and Luminescence Properties of Well-Faceted ZnO Nanorods," J. Phys. Chem. C, 111, 8489-8495 (2007).
Wahab, R. Ansari, S. G., Kim, Y. S., Seo, H. K., Kim, G. S., Khang, G., and Shin, H.-S., "Low Temperature Solution Synthesis and Characterization of ZnO Nano-Flowers," Mater. Res. Bull., 42, 1640-1648 (2007).
Zhang, J., Yu, J., Jaroniec, M., and Gong, J. R., "Noble Metal-Free Reduced Graphehe Oxide- $Zn_xCd_{1-x}S$ Nanocomposite with Enhanced Solar Photocatalytic $H_2$ -Production," Nano Lett., 12, 4584-4589 (2012).
Yu, K. Yang, S., He, H., Sun, C., Gu, C., and Ju, Y., "Visible Light-Driven Photocatalytic Degradation of Rhodamine B over $NaBiO_3$ : Pathways and Mechanism," J. Phys. Chem. A, 113, 10024-10032 (2009).
Wu, T., Liu, G., Zhao, J., Hidaka, H., and Serpone, N., "Photoassisted Degradation of Dye Pollutants. V. Self-Photosensitized Oxidative Transformation of Rhodamine B under Visible Light Irradiation in Aqueous $TiO_2$ Dispersions," J. Phys. Chem. B, 102, 5845-5851 (1998).
Kozlova, E. A., Cherepanova, S. V., Markovskaya, D. V., Saraev, A. A., Gerasimov, E. Y., and Parmon, V. N., "Novel Photocatalysts $Pt/Cd_{1-x}Zn_xS/ZnO/Zn(OH)_2$ : Activation during Hydrogen Evolution from Aqueous Solutions of Ethanol under Visible Light," Appl. Catal. B: Environ., 183, 197-205 (2016).
Lei, Z., You, W., Liu, M., Zhou, G., Takata, T., Hara, M., Domen, K., and Li, C., "Photocatalytic Water Reduction under Visible Light on a Novel $ZnIn_2S_4$ Catalyst Synthesized by Hydrothermal Method," Chem. Commun., 2142-2143 (2003).
Wei, S., Shifu, C., Sujuan, Z., Wei, Z., Huaye, Z., and Xiaoling, Y., "Preparation and Characterization of p-n Heterojunction Photocatalyst $p-CuBi_2O_4/n-TiO_2$ with High Photocatalytic Activity under Visible and UV Light Irradiation," J. Nanopart. Res., 12, 1355-1366 (2010).
Chen, C., Zhao, W., Li, J., and Zhao, J., "Formation and Identification of Intermediates in Visible-Light-Assisted Photogegradation of Sulforhodamine-B Dye in Aqueous $TiO_2$ Dispersion," Environ. Sci. Technol., 36, 3604-3611 (2002).
Zhuang, J., Dai, W., Tian, Q., Li, Z., Xie, L., Wang, J., and Liu, P., "Photocatalytic Degradation of RhB over $TiO_2$ Bilayer Films: Effect of Defects and Their Location," Langmuir, 26, 9686-9694 (2010).
Cruz, A. M., and Perez, U. M. G., "Photocatalytic Properties of $BiVO_4$ Prepared by the Co-precipitation Method: Degradation of Rhodamine B and Possible Reaction Mechanisms under Visible Irradiation," Mater. Res. Bull., 45, 135-141 (2010).
Chen, F. Zhao, J., and Hidaka, H., "Highly Selective Deethylation of Rodamine B: Adsorption and Photooxidation Pathways of the Dye on the $TiO_2/SiO_2$ Composite Photocatalyst," Int. J. Photoenergy, 5, 209-217 (2003).
Takirawa, T., Watanabe, T., and Honda, K., "Photocatalysis through Excitation of Adsorbates. 2. A Comparative Study of Rhodamine B and Methylene Blue on Cadmium Sulfide," J. Phys. Chem., 82, 1391-1396 (1978).
Li, X., and Ye, J., "Photocatalytic Degradation of Rhodamine B over $Pb_3Nb_4O_{13}$ /Fumed $SiO_2$ Composite under Visible Light Irradiation," J. Phys. Chem. C., 111, 13109-13116 (2007).
Merka, O., Yarovyi, V., Bahnemann, D.W., and Wark, M., "pH-Control of the Photocatalytic Degradation Mechanism of Rhodamine B over $Pb_3Nb_4O_{13}$ ," J. Phys. Chem. C., 115, 8014-8023 (2011).
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