비금속 도핑에 따른 TiO2 나노구조체의 광촉매/광전기화학적 특성 연구

Abstract

현재 세계적으로 환경과 청정에너지에 대한 관심이 대두되고 있다. 환경과 위생적인 측면에서 폐수 처리 및 유기물 오염물질 분해는 현재 사회에서 중요한 문제이다. 또한, 청정연료로 수소(H2)가 각광받고 있으며 앞으로 중요한 에너지원이 될 것이다. 이 두 가지 기술 분야에서 태양광을 이용한 광촉매 연구가 꾸준히 진행되고 있으며 그 중 이산화 티타늄 (TiO2)은 우수한 광촉매로서 광범위하게 연구 되어 오고 있다. 본 연구에서는 비금속 도핑을 한 TiO2의 광촉매 / 광전기화학적 특성에 대해 연구하였으며, 이를 두가지 방식으로 접근하였다. 첫번째, TiO2 나노 입자에 아이오딘 도핑을 하여 광촉매 /광전기화학적 물분해 특성을 비교하였다. 간단한 용액법으로 나노 입자를 합성 하였으며, 두 가지의 특성평가가 상반된 결과를 보였다. 메틸렌블루 분해에서는 I-TiO2가 3배 더, 광전기화학적 물분해에서는 TiO2가 2배 더 좋은 특성을 나타내었다. 이러한 결과가 나타나는 원인을 전자밴드구조를 제시함으로써 규명하였다. 두번째, self-Carbon doped TiO2 나노 로드를 합성 후 HAuCl4 용액에 담가 Au 나노 입자를 코팅하였다. 탄소 도핑을 통해 가시광 영역 흡수를 증대 시키고 Au 나노 입자의 LSPR효과를 이용하여 가시광 흡수 증가 및 전하의 이동도를 향상시켜 광전기화학적 물분해 특성을 1.6배 개선시켰다. 또한, TiO2 passivation layer를 증착 한 삼중구조 (ternary structure)를 통해 광전극의 내구성의 향상 및 빛의 흡수층을 증가시켜 광전류 밀도를 더욱 증가시킨 결과를 확인하였다.