[논문]PbS/ZnO/TiO2 나노복합체의 광촉매 특성

이종호; 허수정; 윤정일; 김영직; 김인기; 장경욱; 오한준

doi:10.3740/mrsk.2017.27.10.569

PbS/ZnO/TiO2 나노복합체의 광촉매 특성
Photocatalytic Characteristics of PbS/ZnO/TiO2 Nanotube Composite 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.10, 2017년, pp.569 - 575

이종호 (한서대학교 화학과) , 허수정 (한서대학교 화학과) , 윤정일 (성균관대학교 신소재공학부) , 김영직 (성균관대학교 신소재공학부) , 김인기 (한서대학교 신소재공학과) , 장경욱 (한서대학교 신소재공학과) , 오한준 (한서대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To improve photocatalytic performance, a $PbS/ZnO/TiO_2$ nanotube catalyst was synthesized, and its surface characteristics and photocatalytic efficiency were investigated. The hybrid photocatalysts were produced by anodic oxidation and successive ionic layer adsorption and reaction(SILAR). The photocatalytic efficiency was evaluated using the dye degradation rate. The $PbS/ZnO/TiO_2$ photocatalyst significantly enhanced the photocatalytic activity for dye degradation, which was ascribed to the synergistic effect of their better absorption of solar light and a decrease in the rate of excited electron-hole recombination.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구는 가시 광영역의 빛을 더 많이 흡수할 뿐 아니라 광여기에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합을 억제 시키는 방법을 이용하여 광촉매 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 나노크기의 ZnO와 PbS 입자들이 TiO₂ 나노튜브 광촉매 표면으로 석출되어 있는 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매를 제작하였으며, 복합 광촉매의 표면특성의 변화와 내부 조직 및 전기화학적 거동 그리고 광촉매 효율에 대해 조사를 실시했다.

제안 방법

이를 위하여 나노크기의 ZnO와 PbS 입자들이 TiO₂ 나노튜브 광촉매 표면으로 석출되어 있는 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매를 제작하였으며, 복합 광촉매의 표면특성의 변화와 내부 조직 및 전기화학적 거동 그리고 광촉매 효율에 대해 조사를 실시했다. 이때 광촉매 효율은 rhodamine B의 염료를 이용한 염료분해 반응을 통해 평가하였다.
따라서 본 연구는 가시 광영역의 빛을 더 많이 흡수할 뿐 아니라 광여기에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합을 억제 시키는 방법을 이용하여 광촉매 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 나노크기의 ZnO와 PbS 입자들이 TiO₂ 나노튜브 광촉매 표면으로 석출되어 있는 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매를 제작하였으며, 복합 광촉매의 표면특성의 변화와 내부 조직 및 전기화학적 거동 그리고 광촉매 효율에 대해 조사를 실시했다. 이때 광촉매 효율은 rhodamine B의 염료를 이용한 염료분해 반응을 통해 평가하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용되는 광촉매 제조를 위해, 순수 티타늄 판(commercial grade, 99.6 wt%)을 탈지, 수세 등의 전처리를 실시하고, 0.5 wt% NH₄F, 5 wt% H₂O 그리고 ethylene glycol의 혼합용액을 전해액으로 사용하여 60 V의 양극전압을 5 min 동안 인가한 후 나노튜브 형태의 TiO₂ 광촉매를 제조한 후, 비결정질의 티타니아 나노튜브의 결정화를 위하여 500 ^oC에서 1시간 열처리를 실시하여 광촉매 효율이 높은 결정형의 TiO₂ 나노튜브 형태의 광촉매를 제조했다.

데이터처리

이렇게 제조된 TiO₂, ZnO/TiO₂, PbS/TiO₂ 그리고 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매의 표면특성은 FESEM(Philips XL30 ESEM-FEG)을 통하여 관찰하였으며, 광촉매의 결정구조는 X-선 회절분석기(Phillips, Model PW1710)를 사용하여 조사하였다. 또한 제조된 광촉매의 흡광 특성은 UV-Vis spectrometer(Cary 500 Scan UVvis-NIR spectrophotometer)를 사용하여 조사했다.
5 M Na₂S·9H₂O 용액에 5min 침지 후 DI water 로 60 s 동안 세척하는 방법을 1 사이클로 하여 반복적으로 5번 실시하여 PbS QDs을생성시켰다. 이렇게 제조된 TiO₂, ZnO/TiO₂, PbS/TiO₂ 그리고 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매의 표면특성은 FESEM(Philips XL30 ESEM-FEG)을 통하여 관찰하였으며, 광촉매의 결정구조는 X-선 회절분석기(Phillips, Model PW1710)를 사용하여 조사하였다. 또한 제조된 광촉매의 흡광 특성은 UV-Vis spectrometer(Cary 500 Scan UVvis-NIR spectrophotometer)를 사용하여 조사했다.

이론/모형

최종적으로 ZnO/TiO₂ nanotube(NTs) 광촉매 표면위로 PbS quantum dot(QDs)들이 석출되어 있는 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매는 successive ionic layer adsorption and reaction(SILAR) 방식을 이용하여 제조하였다. 이 방법은 0.

성능/효과

2) 가시광 영역의 범위에서 광활성을 나타내는 흡광특성과 광전류의 발생량은 ZnO와 PbS의 분포와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며, TiO₂ 광촉매, ZnO/TiO₂,PbS/TiO₂, 그리고 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매의 순서로 증가하였다.
3) 염료인 rhodamine B 분해반응에 대한 반응상수는 TiO2, ZnO/TiO2, PbS/TiO₂ 광촉매의 경우 3.69 × 10⁻³min⁻¹, 4.68 × 10⁻³min⁻¹ 그리고 5.46 × 10⁻³min⁻¹으로 증가하였으며, PbS/ZnO/TiO₂ 복합 광촉매의 경우 6.43 ×10⁻³min⁻¹으로 가장 높은 반응상수를 나타냈다.
4) 따라서 ZnO와 PbS의 나노입자들이 분포되어 있는 PbS/ZnO/TiO₂ 복합 나노튜브에서 광촉매 반응효율이 증가하는 이유는, 표면에 분포한 미세한 PbS 나노입자에 의한 양자제한효과에 의해 광촉매의 에너지 밴드갭이 좁아지면서 가시광 영역에서도 광을 흡수할 수 있는 능력이 향상되고, 또한 PbS, ZnO 그리고 TiO₂의 이종 결합에 의해, 광여기 되어 발생된 전자와 정공들이 반응에 참여하기 위해 이동할 때 전자와 정공의 재결합을 억제하여, 가능한 한 많은 전자와 정공이 광촉매 반응에 참가할 수 있기 때문에 광촉매 효율과 반응상수를 증가시키는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiO2를 광촉매로 사용할 때의 문제점은?	또한 광여기에 의해 발생된 전자와 정공들을 튜브 형태의 계면을 통하여 빠르게 이동시킬 수 있으므로 고효율의 광활성 재료로 많은 기대를 받아왔다. 그러나 TiO2는 비교적 큰 에너지 밴드갭(3.2 eV)을 가지고 있기 때문에, 광촉매로 이용할 경우, 태양광의 약 4 % 정도에 해당되는 파장 범위에서만 반응을 할 뿐 아니라, 광반응 시 생성된 전자와 정공의 빠른 재결합에 의해 광촉매 반응 효율이 낮아지는 등의 사용상의 한계는 여전히 개선되어야 할 과제로 남아있다. 따라서 TiO2를 친환경 에너지 분야와 광촉매 분야와 같은 다양한 산업 분야에서 적절하게 활용하기 위한 목적으로, 빠른 전하이동을 통해 광반응의 효율을 향상시키기 위한 연구와, TIO2 표면에 좁은 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 재료와의 이종결합을 통하여가능한 많은 가시광 영역의 빛을 흡수하여 광촉매 효율을 증가시키는 방법 등에 대해 활발히 연구되고 있다.
	나노튜브형 TiO2 광촉매의 특징은?	나노튜브형 TiO2 광촉매는 제조법이 비교적 단순하고 경제적일 뿐 아니라 나노튜브 형태의 규칙적인 형상으로 인해 매우 높은 비표면적을 나타낸다. 또한 광여기에 의해 발생된 전자와 정공들을 튜브 형태의 계면을 통하여 빠르게 이동시킬 수 있으므로 고효율의 광활성 재료로 많은 기대를 받아왔다. 그러나 TiO2는 비교적 큰 에너지 밴드갭(3.
	TiO2/ZnO 이종결합의 장점은?	특히 광여기에 의해 생성된 전하들이 이동 중 다시 재결합되는 현상을 억제 시켜서 광반응 효율을 향상시키는 연구로는, TiO2의 높은 반응성과 ZnO의 높은 전자이동성을 활용한 TiO2/ZnO 이종결합(hetrojunction)을 이용하는 방법이 보고1,2)되고 있다. 이 경우는 전도대와 가전도대 사이에서 광여기된 전자와 정공들의 이동과정을개선시켜 주기 때문에 광여기에 의해 발생된 전하들이 분리가 용이하게 되어 전자와 정공의 재결합을 감소시켜 광촉매 효율을 증가된다고 보고3)된다. 그러나 TiO2/ZnO의 이종결합(heterojunction)은 광반응의 효율을 증가시키는 등 여러가지 장점에도 불구하고 여전히 두 물질은 모두 큰 에너지 밴드갭을 나타나기 때문에 가시광 영역의 빛을 효율적으로 이용하기는 어렵다.

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