효율적인 가시성을 위해 산소 결손으로 인한 밴드 갭 축소

Jan 26, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14105(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

금홍석 TiO2의 밴드 갭은 TiO2 코팅이 삽입된 탄소 분말(cHT)의 열처리 중에 산소 공공(OVs)의 형성을 통해 좁아졌습니다. 밴드 갭이 좁아지면 TiO2 코팅의 가시광선 반응이 효율적으로 향상되어 가시광선 기반 광촉매 활성이 더욱 향상됩니다. cHT 동안 OV의 변화는 cHT 온도와 시간을 조작하여 연구되었습니다. 비화학양론적 TiO2-x의 밴드 구조에 대한 OV의 영향은 첫 번째 원리 계산을 통해 추가로 계산되었습니다. 온도를 높이면 SEM 이미지를 통해 TiO2 코팅 표면에 나노 크기의 섬유형 구조가 형성되고, 800°C 이하에서는 섬유형 구조의 양이 크게 증가하고 크기가 나노에서 마이크로로 변화하여 기여하는 것으로 나타났습니다. 접근 가능한 표면적을 증가시킵니다. UV-Vis 결과는 형성된 산소 결손으로 인해 cHT 동안 TiO2의 밴드 갭이 좁아졌음을 보여줍니다. XPS 결과는 OV를 포함한 표면 결함의 형성을 추가로 확인하고 XPS 깊이 프로파일은 O의 상대적 양이 감소하는 반면 탄소의 상대적 양은 증가함을 추가로 보여줍니다. 특히, TiO2 코팅에 대한 cHT 후, 광촉매 활성은 먼저 증가한 다음 온도가 상승함에 따라 감소하여 850°C에서 약 3배 달성됩니다. 첫 번째 원리 계산은 국소화된 전자를 가진 TiO2 코팅의 OV가 밴드 갭 축소를 촉진할 수 있으며 가시광선 하에서 광촉매 활성을 향상시키는 데 더욱 유리할 수 있음을 시사합니다.

환경오염과 에너지 위기라는 시급한 문제에 직면하여, 재생에너지 기술 개발을 위한 재생자원의 활용은 돌파구가 필요한 시급한 과제가 되고 있습니다. 광촉매는 유기 오염 물질을 효율적으로 분해하거나 광촉매 효과를 통해 화학 에너지를 생성할 수 있기 때문에 이러한 문제를 완화하고 더욱 해결할 수 있는 잠재력이 큰 후보로 간주됩니다. 이산화티타늄(TiO2)은 적절한 밴드 가장자리 위치, 뛰어난 안정성, 저렴하고 우수한 광촉매 활성으로 인해 가장 중요한 광촉매 재료 중 하나로 간주될 수 있습니다1,2,3. 그러나 TiO2는 가시광선 응답에 대해 상대적으로 넓은 밴드 갭(예추석의 ~ 3.2eV 또는 금홍석의 ~ 3.0eV)으로 인해 제한되었습니다4,5,6. 현재, 도펀트 또는 결함(OVs, Ti3+, 격자 변형)의 도입으로 밴드 갭을 좁히고, 더 작은 밴드 갭 또는 더 나은 가시광 응답을 갖는 광촉매와 합성하는 등 TiO2의 가시광 흡수를 개선하기 위해 엄청난 노력이 이루어지고 있습니다. 8,9,10,11,12, 실제 응용 프로그램의 요구 사항을 더욱 충족시킵니다. 또한 많은 문헌에서 TiO2 격자에 질소, 황, 탄소 등의 비금속을 도핑하면 밴드 갭에 국부적인 전자 상태가 도입되어 흡수 한계가 UV 영역에서 가시광선 영역으로 확장될 수 있다고 보고했습니다. 14,15,16.

특히, TiO2 격자에 C 불순물을 제어 가능하게 도핑하는 것은 광촉매 활성을 향상시키는 효과적인 접근법입니다. 왜냐하면 C가 TiO2 격자에 침투하여 Ti-C 또는 C-O-Ti 결합의 형성과 함께 O 또는 Ti 원자를 대체할 수 있기 때문입니다. TiO2의 가전자대 위에 하이브리드 오비탈을 생성하여 전송 채널과 전자 저장 용량으로 인한 재결합을 크게 억제합니다. Khan et al. 2002년에 약 2.32eV의 더 낮은 밴드 갭을 갖는 TiO2의 격자 산소 원자에 대한 탄소 대체물을 보고했으며17, 많은 연구자들은 C 도핑된 TiO2가 밴드 갭을 줄이고 OV와 같은 표면 결함을 생성하는 효과적인 전략임을 연속적으로 입증했습니다. 가시광선 기반 광촉매 활동을 향상시킵니다.

도핑 외에도 OVs 유도 광촉매 작용은 가시광선 반응, 전하 분리를 동시에 달성하고 O 함유 분자의 흡착 및 후속 해리를 위한 활성 부위 역할을 하는 또 다른 효율적인 솔루션입니다. 2000년 Nakamura et al. 가시광선 반응에 대해 가전자대와 전도대 사이에 위치하는 TiO2 광촉매에서 OV의 역할을 조사한 후 Schaub et al. 2002년에 금홍석 TiO2에서 OV의 확산 메커니즘을 밝혀냈습니다24. Wendt et al. OV는 유도된 정공 트래핑에 의해 전하 분리를 크게 촉진할 수 있다고 보고했습니다. 전자 구조 분석의 관점에서 볼 때, OV는 전도대 아래에 일부 종류의 결함 상태(예: Ti3+, 점 결함)를 도입하고 밴드 갭을 줄여 더 나은 가시성을 제공함으로써 금속 산화물 반도체의 전자 구조를 개선할 수 있다고 일반적으로 믿어집니다. -가벼운 반응26,27. 더 중요한 것은 OV의 양이 가시광선 반응과 실험적 측정 및 이론적 계산을 통한 TiO2의 향상된 광촉매 활성에 핵심적인 역할을 한다는 것입니다28,29,30,31.