Modified-TiO2 Photocatalytic Systems for Enhancing Solar Energy Conversion Efficiency and Visible Light Reactivity

Abstract

본 논문에서는 다양한 방법들 (CNC 전자전달물질, 탄소 도핑, 플러롤의 표면결합 형성, 유기염료감응)을 통해 TiO2를 개질시켜 자외선이나 가시광하에서의 환경정화 및 태양광전환 반응의 광촉매 효율 및 가시광 반응성을 높이는 연구를 진행하였다. 태양광 이용 시스템 중에서 TiO2 광촉매를 이용한 고도산화처리 (Advanced remediation and treatment technology)가 효율성과 적용성에 있어서 가장 탁월한 기수로 받아들여지고 있지만, 광효율의 증대는 아직도 요구 되고 있으며, 특히 가시광에서의 비활성은 실제적인 적용에 제한되도록 하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 TiO2의 적절한 개질을 통해 자외선에서의 광효율을 극대화 시키고, 가시광에서 활성을 나타낼 수 있도록 하였다. TiO2 반응에서 전도대 (conduction band)를 통한 전자 전달이 전체 반응의 율속단계 (Rate determing step)이기 때문에, 전도대 전자 전달 (Conduction band electron transfer)은 적절한 전자전달 매개체 (Electron mediator 혹은 shuttle)를 도입함으로 전체 반응 속도를 증가 시킬 수 있다. 2장에서는 카본나노콜로이드(CNC)를 전자전달 매개체로 사용하기 위해 CNC를 TiO2의 표면에 결합 시켜 UV에서의 광효율을 증대시켜 보았다. CNC 입자들은 TiO2와 섞여 탈수반응을 통해 표면에 결합되게 되며, 그 과정에서 CNC 입자들이 얇은 필름형태로 TiO2 표면을 둘러싸게 된다. 광산화, 환원 반응에 대해 CNC/TiO2가 TiO2보다 더 높은 광활성을 나타내었으며, 이는 CNC와 TiO2의 강한 결합으로 인해 효율적인 전자-정공 쌍의 분리가 일어나, 전자-정공 쌍의 재결합을 줄이게 되어 효율적인 전자전달이 가능해지기 때문이다. CNC의 전자전달 및 저장 능력은 다른 광촉매 시스템으로의 적용을 통해 효율을 높이는데 사용될 수 있을 것이다. 3장부터 5장에서는 가시광에서 활성을 나타내는 광촉매 시스템들을 개발 및 제안하였다. 3장에서는 탄소가 도핑된 TiO2를 추가적인 탄소 전구체 (precursor) 없이 일반적인 졸-겔 (sol-gel)법을 사용하여 제조하여, 가시광활성 및 특성을 살펴보았다. 기존 보고들에서는 탄소를 도핑시키기 위해 외부의 다른 탄소 전구체를 넣어줘야 하지만, 본 연구에서는 Ti의 전구체인 titanium alkoxide에 포함되어 있는 카본만으로도 도핑이 된다는 사실을 알아냈다. 적절한 온도조절 조건에서 카본은 미드 갭(mid gap) 전자 준위를 형성하여 가시광을 흡수할수 있도록 하였다. 이 연구를 통해 카본이 도핑된 TiO2가 일반적인 sol-gel 법을 이용한 TiO2 합성 중에 의도하지 않았음에도 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있었다. 4장에서는 표면결합에 의한 전자전달 (surface-complex charge transfer) 메커니즘에 의해 플러롤(fullerol)로 개질된 TiO2가 가시광에서 효율을 나타내는 결과를 보여주었다. 이러한 특성은 플러린(fullerene)으로 표면개질된 TiO2에서는 나타나지 않는 현상으로, 플러롤의 수산화기와 TiO2 표면의 수산화기간의 탈수 반응을 통해 생성된 결합으로 인해 나타나는 독특한 성질이라고 할 수 있다. 이 경우 플러롤의 HOMO 오비탈에서 TiO2의 전도대로 직접적인 전자전달이 일어나게 되며, 이러한 새로운 타입의 플러롤을 기반으로한 전자전달 시스템은 다른 가시광에서의 광촉매 반응에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다. 5장에서는 유기염료감응 TiO2 시스템과 기존의 루테늄(Ru)-계열의 염료 감응 TiO2 시스템을 가시광에서의 광촉매 반응을 이용하여 비교해보았다. 유기염료는 Ru과 같은 귀금속이 들어가지 않아 경제적이며, 다양한 합성을 통한 개질이 용이하여 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서 합성된 유기염료는 Ru-계열의 염료보다 더 큰 흡광도를 가졌으며, TiO2에 강하게 흡착되어 광활성이 좋을 뿐 아니라 넓은 범위의 pH에서도 안정적으로 광효율을 나타내었다. 최근에는 가시광에서 활성을 나타내는 광촉매들을 개발하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 환경정화 뿐만 아니라, 에너지 생산, 변환 및 저장, 부식 방지, 바이오 시스템과 같은 다양한 분야로의 적용이 시도 되고 있다. 이는 광촉매가 친환경적이고, 경제적이기 때문이며, 궁극적으로 태양광을 이용한다는 측면에서 다양한 연구 동기를 제공한다고 할 수 있다. 태양광을 이용한 광촉매 시스템 분야 연구의 많은 진보가 있었지만, 아직 실용화 단계에는 부족한 점들이 많이 있다. 따라서, 앞으로 더욱 많은 연구가 필요하며, 이러한 연구 결과들이 바탕이 되어 환경오염 문제나 에너지 문제들의 해결에 많은 도움을 줄 수 있을 것이라고 기대된다.