초록 ▼

□ 연구개요
TiO₂ 격자에 물리적/화학적/전기적 특성이 다른 이종 전이금속을 포함시킴으로써 TiO₂의 산화환원 특성을 제어하고, 산소결핍 사이트 형성 및 복원에 필요한 에너지를 이론계산 및 실험 측정하였으며, 일산화탄소 산화반응(격자내 산소가 반응에 참여)으로의 응용을 통해 연구가설 검증하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
□ 이종 전이금속(3d 전이금속: Cr, Mn, Fe, Co, Ni) TiO₂ 나노입자 합성을 위한 gel-sol 합성법 개발

□ 연구개요
TiO₂ 격자에 물리적/화학적/전기적 특성이 다른 이종 전이금속을 포함시킴으로써 TiO₂의 산화환원 특성을 제어하고, 산소결핍 사이트 형성 및 복원에 필요한 에너지를 이론계산 및 실험 측정하였으며, 일산화탄소 산화반응(격자내 산소가 반응에 참여)으로의 응용을 통해 연구가설 검증하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
□ 이종 전이금속(3d 전이금속: Cr, Mn, Fe, Co, Ni) TiO₂ 나노입자 합성을 위한 gel-sol 합성법 개발
□ 20-30 nm 크기 분포를 갖는 균일 나노입자의 대량 합성
□ 파우더 XRD 측정 및 Rietvelt refinement: 이종 전이금속에 의한 새로운 산화물이 형성되지 않고, TiO₂의 anatase 단일 결정 구조 유지 확인, 격자 파라미터 도출하여 이종 전이금속에 의한 격자 변화를 일차적으로 확인
□ EXAFS/XANES 분석: 이종 전이금속에 의한 각 원소들의 배위결합 상태와 원자간 거리 변화를 측정(원자단위의 격자 변화를 이차적으로 확인)
□ Ti 2p, 이종금속(M) 2p XPS 표면분석: 이종 전이금속 TiO₂ 나노입자의 표면 구조 및 결합 상태분석
□ 상기 실험적 구조분석 결과를 종합하여 DFT 계산을 위한 모델 최적화 및 이론적 격자 파라미터(e.g.,격자 상수, 격자 부피, 결정 크기 등) 도출
□ UV-Vis 흡광 측정: 이종 전이금속 삽입에 의해 변화된 광학 특성 확인
□ 나노입자의 비표면적 측정: 평균 72 m²/g
□ O 1s XPS 표면분석: 표면에 존재하는 산소종들의 조성, 산화수, 그리고 결합에너지 측정(이종 전이금속의 원자번호 증가에 따라 표면 산소결핍 사이트 증가)
□ H₂-TPR/O₂-TPO, 표면 화학종 특성분석(XPS): TiO₂ 나노입자의 산화환원 특성분석 완료(이종 전이금속의 원자번호 증가에 따라 TiO₂의 고유 산화환원 특성 향상)
□ DFT 계산: 산소결핍 사이트 형성 및 복원에 필요한 에너지를 계산하고 실험적으로 측정된 에너지값과 비교 분석
□ 일산화탄소 산화반응(격자내 산소가 반응에 참여)으로의 응용 및 연구가설 검증
□ 물질의 격자구조 제어를 통해 귀금속 촉매의 대체 가능성 확인
□ 100% 전환율에 필요한 반응온도를 560℃ 저감
□ Nudged elastic band(NEB)계산: 촉매표면반응 구현 및 메커니즘 연구수행 완료

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
(1) TiO₂는 풍부한 매장량(가격이 저렴), 자외선 흡수, 산화환원 특성, 물질 고유의 높은 안정성으로 인해 자외선 차단제, 도료, (광)촉매 소재, 항균제, 반도체 물질, 태양전지 셀 및 코팅 물질 등 산업적, 학술적, 연구적으로 활용도가 높은 물질 중 하나임(현재 공업적으로 제조되고 있는 TiO₂의 양은 세계적으로 연간 약 300만 톤임).
(2) 따라서, 본 과제에서 연구개발한 TiO₂의 격자구조 제어기술 또는 이종 전이금속 치환기술은 산화환원 특성을 본질적으로 정밀 제어함으로써 에너지, 환경, 생활 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대
(3) 예를 들어, 상온보다 낮은 온도에서의 높은 촉매활성이 여전히 요구되고 있는 많은 촉매화학반응들(e.g., 저온에서의 배기가스 제거, 연료전지 수소연료의 불순물 제거 등)의 귀금속 촉매 대체 기술을 추가로 마련할 수 있을 것으로 기대
(4) 고안정성, 고성능 “비”귀금속 촉매 나노입자 개발 결과는 귀금속 촉매 사용으로 인해 야기되는 소결 현상(촉매 수명 문제), 높은 제조 비용 및 유지 비용에 대한 물질 구조적 관점에서의 해소 방안 제시
(5) TiO₂ 나노입자의 물리화학적, 광학적, 전기화학적 특성과 특성 변화 따른 영향을 파악하기 위한 실험연구에 활용함으로써 여러 촉매화학반응의 주요변수와 기초단계에 대한 이해(적합 촉매소재 및 반응시스템 설계를 위한 근거 마련) 제공 가능

(출처 : 연구결과 요약문 2p)