C60로 표면처리 된 TiO2 촉매의 자발적인 물 분해를 이용한 수산화 라디칼 생성 연구

Abstract

TiO2는 광촉매 효과를 이용한 수질 정화에 가장 많이 쓰이는 물질이다. 광촉매 반응을 통해 생성된 OH 라디칼 및 HO2 라디칼은 유기 오염 물질을 분해하여 수질을 정화한다. TiO2에 자외선을 쬐어주었을 때 전자-정공 쌍이 생성되고 이를 통해 물이 분해되어 OH 라디칼이 생성된다. Rutile TiO2는 넓은 에너지 밴드 갭을 가지고 있어서 자외선 영역에서만 광촉매 역할을 하여 빛의 흡수 범위가 좁고 낮은 광촉매 효율을 나타내어 다양한 산업분야에 적용하기 어렵다. 최근에는 태양광 조건에서의 광촉매 효율을 높이기 위해 TiO2에 도핑을 하거나 금속이온을 그래프팅하거나 탄소재료 물질로 표면처리를 하는 연구가 진행되고 있다. 광촉매 반응은 빛의 세기에 의해서도 영향을 받는데 자외선과 가시광선은 깊은 물 속까지 도달하지 못하므로 빛이 없는 곳에서의 수질 정화에 대한 새로운 접근법이 필요하다. 본 연구에서 주사 터널링 현미경(STM)과 주사 터널링 분광법(STS)을 사용하여 빛이 없는 환경에서 표면 개질한 TiO2의 촉매 반응에 의한 물 분해에 대해 규명하였다. TiO2의 전자 구조를 조절하기 위해 강한 acceptor역할을 하는 풀러렌(C60)을 활용하였다. C60가 TiO2 표면에 흡착하면 전하이동에 의해 TiO2 표면의 정공 농도가 증가하며 이는 빛이 없는 환경에서도 자발적인 물 분해를 일으킨다. STS를 통해 TiO2의 휘어진 전도대와 역방향 바이어스에서 TiO2의 전도도가 증가한 것을 확인했고 이는 TiO2 표면에 증가된 정공 농도를 나타낸다. Hall measurement와 계산 결과에서도 TiO2 표면의 정공 농도가 증가한 것을 확인했다. 물은 TiO2 표면의 정공에 의해 abstractive adsorption을 하여 수소와 수산화 라디칼로 분해된다. STM 이미지에서 C60/TiO2(110)에 물 흡착 시 물 분해 생성물을 확인했고 이는 정공에 의한 산화반응을 통해 물이 분해되었다는 것을 보여준다. 수질 오염 물질 중 하나인 염료를 빛이 없는 조건에서 분해하는 실험에서 TiO2 분말과 비교하여 C60로 표면처리한 TiO2 분말이 우수한 촉매 특성을 나타내는 것을 확인했다.