선택적 모양을 갖는 ZnO 나노 결정의 합성 및 그 촉매 반응성에 대한 연구

Abstract

ZnO 나노결정면의 고유한 원자구조 또는 전자구조적 특징과 반응성의 연관성을 연구하고자 선택적 모양을 갖는 ZnO 나노 결정을 합성하고, 그 촉매 반응성에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 나노rod 또는 나노sheet형태의 선택적 모양을 갖는 ZnO 나노결정을 수열합성법을 통해 합성하였고, 이를 SEM, UV-DRS, XRD 분석법을 이용하여 모양, 결정 구조, 그리고 밴드갭 등과 같은 성질들을 분석하였다. 또한 Au/ZnO 모델촉매를 만들기 위해 금 이온의 환원법을 이용해 ZnO 나노결정 표면에 금 나노입자를 성장시켰다. 이를 SEM으로 확인한 결과 수십 나노미터 크기의 금 나노입자가 ZnO 결정면 위해 형성된 것을 확인하였다. ZnO 나노rod와 나노sheet, 두 가지 서로 다른 모양을 갖는 나노 결정의 반응성 차이를 확인하기 위해 CO oxidation과 methanol 분해 반응을 이용하였다. 그 결과 두 가지 다른 나노 결정은 분명히 촉매 반응성에 있어서 다른 반응성을 가지고 있음을 확인할 수 있었고, 그 원인은 모양에 따라 다른 결정면이 표면에 노출되고, 따라서 결정면에 따른 반응성의 차이로 설명된다. 하지만 Au/ZnO 모델 촉매의 경우 금 나노입자에 의한 반응성이 매우 커서 두 가지 모양의 서로 다른 나노 결정에서 볼 수 있는 촉매 반응성의 차이가 크게 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이는 금 나노입자의 성장모드와 열적안정성과도 관련되어 있으므로 더 많은 연구가 필요한 부분이다. 금 나노입자의 크기와 관련하여 성장 모드가 다를 것이라고 생각되는 실험적 증거는 Au/ZnO 합성과정에서 용액의 색이 다른 데에서도 찾을 수 있다. ZnO 나노결정의 광촉매 반응성은 methylene blue의 광분해 반응을 이용하였는데, 365 nm의 근자외선 빛에 methylene blue가 분해되는 반응속도는 1차반응에 가까운 것으로 나타났고 그 반응 속도 상수 k가 ZnO의 모양에 따를 차이를 보기 어려웠는데 이는 k가 ZnO결정의 크기 분포, 결정성, 표면구조와 같은 결정의 성질뿐 만 아니라, 반응 농도, 온도, pH 등의 조건에 따라 매우 크게 달라지기 때문이다.