[논문]근적외선 업컨버전 나노입자를 이용한 광촉매 성능 향상

박용일

doi:10.14478/ace.2021.1004

근적외선 업컨버전 나노입자를 이용한 광촉매 성능 향상
Improvement of Photocatalytic Performance using Near-Infrared Upconversion Nanoparticles 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.32 no.2, 2021년, pp.125 - 131

박용일 (전남대학교 화학공학부)

초록
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일반적인 반도체 기반의 광촉매는 물질 고유의 밴드갭 때문에 자외선이나 가시광선에 의해서만 활성화될 수 있고, 태양광 에너지의 약 50%를 차지하는 근적외선 영역의 에너지는 활용할 수 없다. 따라서 기존의 반도체 광촉매의 성능을 향상시키기 위해서는 자외선에서 근적외선에 이르는 넓은 영역에서 더 많은 태양광 에너지를 활용할 수 있어야 한다. 태양광의 근적외선 영역을 활용하기 위해 기존 반도체 광촉매를 업컨버전 나노입자와 결합하는 연구들이 수행되고 있다. 업컨버전 나노입자는 근적외선 광자를 여러 개 흡수하여 자외선이나 가시광선으로 변환하여 광촉매를 활성화할 수 있다. 그리고 반도체 광촉매와 업컨버전 나노입자에 플라즈모닉 금속 나노입자를 함께 결합시키면 태양광에 의한 광촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 총설은 업컨버전 나노입자를 이용하여 근적외선 영역의 태양광 에너지가 광촉매의 성능 향상에 기여할 수 있도록 하는 최근의 연구결과를 바탕으로 서술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Semiconductor-based photocatalysts can only be activated with ultraviolet or visible light due to their intrinsic bandgap, and they cannot use the energy in the near-infrared region, which accounts for about 50% of solar energy. Therefore, in order to improve the performance of the semiconductor photocatalyst, it is necessary to utilize more solar energy in a broad band ranging from ultraviolet to near-infrared. Combining upconversion nanoparticles with semiconductor photocatalysts for near-infrared absorption have thus been reported. Upconversion nanoparticles can sequentially absorb multiple near-infrared photons and convert them into ultraviolet or visible to activate photocatalysts. In addition, by coupling the semiconductor photocatalyst and the upconversion nanoparticles with the plasmonic metal nanoparticles, the photocatalytic activity can be further improved. This review summarizes the recent studies on improving the photocatalytic performance with near-infrared absorption by using upconversion nanoparticles.

주제어

표/그림 (5)

그림 Figure 1. (a) Bandgap of photocatalysts with respect to the redox potential of different chemical species[1]. (b) Schematic illustration of second-harmonic generation, simultaneous two-photon absorption (STPA), and upconversion processes. The dashed lines indicate virtual energy levels[3]. (c) Proposed photocatalytic mechanism of CaF₂:Yb,Er/TiO₂ core/shell nanoparticles under NIR irradiation[8]. (d) Surface plasmon resonance enhanced photocatalytic performance of Ag/SiO₂/Y₂O₃:Yb,Er/BiFeO₂ core/triple-shell nanoparticles under visible and NIR irradiation[11]. Reprinted with permission from Refs. [1,3,8,11].
그림 Figure 2. (a) Energy level diagram and main luminescent transitions of lanthanides in the visible range[13]. (b) Schematic energy level diagrams of the Yb³⁺, Er³⁺-codoped and Yb³⁺, Er³⁺-codoped upconversion systems[14]. Reprinted with permission from Refs. [13,14].
그림 Figure 3. (a) Schematic of energy transfer in Nd³⁺, Yb³⁺-codoped upconversion nanoparticles under 808 nm excitation[15]. (b) Illustration of energy transfer from NIR dye to lanthanide ions in upconversion nanoparticle[16]. (c) Schematic of energy transfer in quantum dot-sensitized Nd³⁺, Yb³⁺-codoped upconversion nanocomposites[18]. (d) Proposed energy transfer mechanisms in the core/shell nanoparticle where X³⁺ ions are lanthanide emitters such as Tb³⁺, Eu³⁺, Dy³⁺, Sm³⁺[21]. Reprinted with permission from Refs. [15,16,18,21].
그림 Figure 4. (a) Proposed working mechanism of NaYF₄:Yb,Tm/TiO₂ core/shell nanoparticles under UV and NIR irradiation[22]. (b) Schematic of the upconversion based photocatalysis process with different TiO₂ shells (left: thick shell, right: moderate shell)[23]. (c) Proposed working mechanism of NaYF₄:Yb,Tm/CdS/TiO₂ under NIR irradiation[29]. (d) Proposed mechanisms of photogenerated carrier transfer in Z-scheme photocatalyst (NaYF₄:Yb,Er@TiO₂-Ag₆Si₂O₇) under UV, visible and NIR irradiation[30]. Reprinted with permission from refs. [22,23,29,30].
그림 Figure 5. (a-b) Proposed photocatalytic mechanism of Au-NaYF₄:Yb,Er,Tm/g-C₃N₄ under (a) UV and (b) visible irradiation, respectively[10]. (c) Schematic illustration of the photocatalysis mechanisms of Au-NaYF₄:Yb,Er,Tm/TiO₂ under NIR irradiation[35]. Reprinted with permission from refs. [10,35].

AI 본문요약
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문제 정의

근적외선을 효율적으로 이용하기 위해 업컨버전 나노입자와 광촉매를결합시키는 다양한 전략을 살펴보고, 플라즈모닉 금속 나노입자를 도입하여 광촉매 효율을 높이기 위한 최근의 연구 결과도 함께 다루어 기술하고자 한다.
본 총설에서는 업컨버전 나노입자를 이용하여, 기존 반도체 광촉매가 자외선이나 가시광선뿐만 아니라 근적외선까지 흡수 및 활용하여 광촉매 성능을 증대시키는 방법에 대해 기술하였다. 업컨버전 나노입자는 광촉매의 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 근적외선 광자를 흡수하여 자외선 및 가시광선으로 효율적으로 변환시켜주며, 이를 광촉매로 전달시켜주기 때문에, 보다 효율적으로 태양광 에너지를 활용할 수 있도록 한다.
본 총설은 근적외선 영역의 태양광 에너지를 이용한 광촉매의 성능향상을 위한 업컨버전 나노입자의 활용에 대해 기술하고자 한다. 근적외선을 효율적으로 이용하기 위해 업컨버전 나노입자와 광촉매를결합시키는 다양한 전략을 살펴보고, 플라즈모닉 금속 나노입자를 도입하여 광촉매 효율을 높이기 위한 최근의 연구 결과도 함께 다루어 기술하고자 한다.

성능/효과

두 반도체 물질이 결합되면, 계면에서 이형 접합이 형성되며, 짧은 이동 거리에 따라 전하의 이동이 향상되고, 강한 산화제인 h⁺와 ⋅O₂^-를 유도하여 산화환원 능력을 유지할 수 있다. 또한, NaYF_4:Yb, Er의 가시광선은 좁은 밴드갭을 가진 Ag₆Si₂O₇에 의해 흡수되어 광촉매 반응에 참여하며, 이러한 시너지 효과로 인해 P25에 비해 15배 향상된 광촉매 효율을 보여주었다. Z-scheme 광촉매는 Tm³⁺ 이온이 도핑된 업컨버전 나노입자와도 조합하여 근적외선에 의해 활성화시킬 수 있다[31].

후속연구

밴드갭이 다른 두 가지 광촉매의 이형접합을 구성하여 전자와 홀을 효과적으로 분리하여 광촉매 특성을 높일 수 있었고, 플라즈모닉 금속 나노입자를 함께 사용하여 보다 넓은 영역의 태양광을 효과적으로 흡수하여 광촉매 효율을 더욱 향상시킬수 있음이 실험결과를 바탕으로 보고되고 있다. 다만, 란탄족 원소 기반인 업컨버전 나노입자의 선천적으로 낮은 양자효율을 향상시키고, 좁은 흡수 파장 영역을 확장시킬 수 있는 연구는 지속적으로 이루어져야 한다. Yb³⁺ 이온과 Nd³⁺ 이온을 함께 사용해도 근적외선 영역의 일부분인 980과 808 nm 영역만 흡수할 수 있으므로, 본문에 언급되었던 것처럼 근적외선 형광염료나 양자점 및 플라즈모닉 금속 나노입자를 감광제로 함께 사용하는 연구가 진행되고 있지만, 실사용을 위해서는 아직 개선되어야 할 점들이 많이 남아있다.
호스트 물질에 Gd³⁺을 함께 사용하면, 근적외선 광자를 흡수해 여기된 Tm³⁺의 에너지가 Gd³⁺을 통해 인접한 다른 란탄족 활성제로 전달될 수 있으며, 이를 통해 입자의 발광 파장조절뿐만 아니라 발광수명도 수백 마이크로초에서 수 밀리초까지 조절할 수 있다. 이처럼 다양한 란탄족 원소들을 쉽게 호스트 물질에 도핑할 수 있기 때문에, 사용하고자 하는 반도체 광촉매의 밴드갭에 맞춰서 적합한 발광파장을 갖는 업컨버전 나노입자를 설계하는 것이 용이하며, 이러한 장점은 향후 다양한 광촉매 물질에서 근적외선을 활용한 촉매 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 업 컨버전 물질의 발광 특성 분석에 대한 표준화된 분석 기기나 방법이 아직 정립되지 않아서, 기존의 논문들에 보고된 연구결과들을 정확하게 비교분석하기 어려운 점도 연구자들 간의 연구결과 공유에 걸림돌이 되고 있다. 하지만 이러한 시도들은 최근 그 중요성이 더욱 부각되고 있는 에너지 및 환경문제의 돌파구를 열어줄 것으로 기대되며, 광촉매 성능의 향상을 통해 상용화를 앞당길 뿐만 아니라, 수소와 같은 청정에너지원 개발에도 일조할 수 있을 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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