과산화수소/TiO2 광촉매 시스템의 단분자 스케일 연구

Abstract

과산화수소(HOOH, H2O2)는 두 개의 O-H 결합과 하나의 O-O 결합으로 이루어진 간단한 분자구조를 가지며 일상 속에서 쉽게 접할 수 있는 화합물이다. 과산화수소는 강한 산화력을 가지고 있어 소독약이나 세제 등에 사용되고 있으며, 최근에는 전이금속 광촉매와 반응해 hydroxyl 라디칼(•OH)을 생성하고 폐수 내 오염물질을 분해하여 정화하는 고도산화처리법(Advanced Oxidation Processes, AOPs)의 재료로도 주목받고 있다. 하지만 이미실질적으로 폐수 내의 오염원을 분해할 수 있다는 성과를 보이고 있음에도 불구하고 과산화수소의 촉매반응에 대한 단분자 스케일 연구는 미흡한 편이다. 본 연구에서는 TiO2(110) 단결정 표면에서의 과산화수소 분자의 흡착 거동을 저온 주사터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscopy, STM)으로 분석했다. 모든 실험은 기저압력 5 ×10-11 Torr 이하의 초고진공에서 온도 15 K와 77 K에서 시행했다. 기존의 연구들은 자외선 영역에서만 활성화되는 TiO2가 과산화수소와 반응해 Ti-OOH surface complex를 형성함으로써 새로운 에너지 준위를 형성하여 가시광선 영역에서도 과산화수소를 분해하여 hydroxyl 라디칼을 생성할 것으로 예측했다. 우리는 가시광선 영역에서 TiO2 표면에 기체 과산화수소(30%, aqueous)를 dosing하였을 때, 물 분자(H2O)와 함께Ti-O-O-Ti peroxo가 표면에 흡착되어 있음을 알아내었다. 이는 과산화수소 분자가 가시광선에 의해 H2 + O2나 H2O + O로 분해된 형태로 TiO2 표면에 흡착한다는 것을 나타낸다. 즉 기존의 연구 결과와는 다르게 Ti-OOH surface complex나 hydroxyl라디칼은 TiO2 표면에서 발견되지 않았다. 따라서 과산화수소/TiO2 광촉매 시스템에서 hydroxyl 라디칼은 과산화수소의 직접적인 분해에 의해 생성된 것이 아니고, 표면에 형성된 Ti-O-O-Ti peroxo가 물 분자와 반응해 hydroxyl라디칼을 생성하는 중간체 역할을 하는 것으로 판단된다.