이산화 티타늄 (TIO)은 화학적 안정성, 비 독성 및 상대적으로 저렴한 비용과 같은 놀라운 특성으로 인해 광촉매 분야에서 매우 유망한 물질로 부상했습니다. 광촉매는 TIO와 같은 광촉매의 도움으로 화학 반응을 유도하는 데 사용되는 과정 인 광촉매는 물 정제, 공기 정제 및 자체 정화 표면을 포함한 수많은 응용을 가지고 있습니다. 그러나, TIO₂의 기본 광촉매 활성은 종종 다양한 실제 응용의 요구 사항을 충족시키기 위해 향상되어야한다. 이 포괄적 인 연구에서, 우리는 TIO₂의 광촉매 활동을 향상시키기 위해 사용할 수있는 다양한 전략과 메커니즘을 깊이 파고들 것입니다.
향상 방법을 탐색하기 전에 TIO ₂ 광촉매의 기본 원리를 확실하게 이해하는 것이 중요합니다. TIOond은 특징적인 밴드 갭을 갖는 반도체 재료입니다. 에너지를 가진 광자 (아나 타제 tio₂의 경우, 밴드 갭은 대략 3.2 eV) 재료의 표면에 닿을 때, 원자가 밴드의 전자는 전도 밴드에 흥분되어 발렌타 밴드의 구멍을 남겨 둡니다. 이 전자 구멍 쌍은 광촉매 과정에서 핵심 플레이어입니다.
전도 밴드의 여기 전자는 TIO₂ 표면에 흡착 된 산소 분자와 같은 전자 수용체와 반응하여 이들을 과산화물 라디칼로 감소시킬 수있다 (O₂⁻ •). 한편, 원자가 밴드의 구멍은 표면에 존재하는 물이나 유기 오염 물질과 같은 전자 공여체를 산화시켜 하이드 록실 라디칼을 생성 할 수있다 (OH •). 이러한 고도로 반응성 라디칼은 일련의 산화 및 환원 반응을 통해 유기 오염 물질을 더 작고 덜 유해한 분자로 분해 할 수 있습니다. 예를 들어, 물 정제의 경우, 이들 급진주의의 작용에 의해 염료 또는 살충제와 같은 유기 오염 물질이 효과적으로 저하 될 수있다.
그러나, 몇 가지 요인 이이 자연 광촉매 공정의 효율을 제한 할 수 있습니다. 한 가지 주요 한계는 원하는 산화 환원 반응에 참여하기 전에 전자-구멍 쌍의 빠른 재조합입니다. 또한, 오염 물질에 대한 TIO₂의 흡착 능력 및 광 에너지의 활용 효율은 전체 광촉매 활성을 결정하는 데 중요한 역할을한다. 이러한 한계를 이해하면 TIO의 광촉매 성능을 향상시키기위한 전략을 탐색하기위한 토대가 제공됩니다.
도핑은 TIO₂의 광촉매 활성을 개선하기위한 널리 연구 된 방법이다. 여기에는 외래 원자가 Tio₂ 격자 구조에 도입되는 것을 포함합니다. 이들 도펀트 원자는 TIO₂의 전자 특성을 변경시켜 광촉매 거동에 영향을 미칠 수있다.
도핑에는 두 가지 주요 유형이 있습니다 : 양이온 도핑과 음이온 성 도핑. 양이온 성 도핑은 전형적으로 Tio₂ 격자에서 티타늄 (Ti) 원자를 전이 금속 (예 : Fe, Cu, Mn)과 같은 금속 양이온으로 치환하는 것을 포함한다. 예를 들어, fe³ fe 이온이 Tio ₂로 도핑되면 tio 밴드 갭 내에 추가 에너지 수준을 도입 할 수 있습니다. 이로 인해 유효 밴드 갭이 감소하여 Tio는 기본 밴드 갭보다 낮은 에너지로 빛을 흡수 할 수 있습니다. 결과적으로, 광촉매에 더 넓은 범위의 태양 스펙트럼을 이용할 수있다. [연구원 이름]의 연구에서, Fe- 도핑 된 Tio₂는 순수한 TIO와 비교하여 가시 광선 조사 하에서 메틸렌 블루 염료의 광촉매 분해를 상당히 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 동일한 실험 조건에서 분해 속도는 약 40% 증가했습니다.
반면에 음이온 성 도핑은 일반적으로 티오 격자에서 산소 (O) 원자의 치환을 포함한다. 예를 들어, 질소 (N)를 사용한 도핑이 광범위하게 조사되었습니다. 질소 도핑은 TIO₂의 밴드 갭 내에서 미드 갭 상태를 생성 할 수 있으며, 이는 또한 효과적인 밴드 갭 및 향상된 가시 광 흡수를 감소시킬 수있다. 한 연구 그룹은 N- 도핑 된 TIO태가 가시 광선에서 구분되지 않은 TIO태보다 폐수의 유기 오염 물질을보다 효과적으로 분해 할 수 있다고보고했다. 향상된 분해는 개선 된 광 흡수 및 중간 갭 상태의 존재로 인한 전자 구멍 쌍의 분리 증가에 기인한다.
그러나 도핑도 어려움이 있습니다. 최적의 도핑 농도는 과도한 도핑이 결함 클러스터의 형성으로 이어질 수 있으므로 신중하게 결정되거나 실제로 광촉매 활성을 감소시킬 수있는 원치 않는 전자 상태의 도입으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 특정 금속 양이온의 도핑 농도가 너무 높으면 전자-구멍 쌍의 재조합이 감소하기보다는 증가하여 의도 된 향상 효과에 대응할 수 있습니다.
TIO₂의 광촉매 활성을 향상시키기위한 또 다른 효과적인 전략은 다른 반도체 재료와 결합하는 것입니다. 다른 밴드 갭 에너지를 갖는 2 개의 반도체가 결합되면, 이종 접합이 인터페이스에서 형성된다. 이 이종 접합은 전자 구멍 쌍의 분리를 촉진하고 전반적인 광촉매 효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
일반적으로 연구되는 조합 중 하나는 ZnO와의 tio ₂입니다. ZnO는 비교적 좁은 밴드 갭 (Wurtzite ZnO의 경우 약 3.37 eV)을 가진 또 다른 반도체입니다. Tio와 ZnO가 결합 될 때, 그들의 밴드 갭 에너지의 차이는 타입 II 이종 접합의 형성으로 이어진다. 이 이종 접합에서, ZnO의 전도 밴드는 Tio₂의 전도 대역보다 높은 에너지 수준에 있으며, ZnO의 원자가 대역은 Tio₂의 에너지 수준보다 낮은 에너지 수준입니다. 결과적으로, 빛이 반도체에 의해 흡수 될 때, ZnO의 전도 대역에서 여기 전자는 TiO₂의 전도 대역으로 이동하는 경향이 있으며, Tio₂의 원자가 밴드의 구멍은 ZnO의 원자가 대역으로 이동하는 경향이있다. 전자 구멍 쌍의 이러한 방향 적 이동은 효과적으로 이들을 분리하여 재조합 속도를 줄이고 광촉매 활성을 향상시킨다.
실험 연구는이 커플 링 접근법의 효과를 보여 주었다. 예를 들어, 로다 민 B 염료의 분해에 대한 연구에서, Tio-ZnO 복합재는 순수한 tio₂ 또는 ZnO 단독보다 훨씬 높은 분해 속도를 나타냈다. 복합재의 분해 속도는 동일한 실험 조건 하에서 순수한 Tio의 분해 속도보다 약 60% 높았다. 이 상당한 개선은 이종 접합 인터페이스에서 전자-구멍 쌍의 효율적인 분리에 기인한다.
또 다른 인기있는 커플 링 조합은 CDS와의 TIO입니다. CDS는 비교적 작은 밴드 갭 (약 2.4 eV)을 가지며, 이는 가시 광선을 포함하여 더 넓은 범위의 태양 스펙트럼을 흡수 할 수 있음을 의미합니다. Tio and 및 CD가 결합 될 때, II 형 이종 접합도 형성된다. CD의 전도 대역에서 여기는 전자는 TIO₂의 전도 밴드로 전달 될 수 있으며, TiO₂의 원자가 밴드의 구멍은 CD의 원자가 대역으로 전달 될 수있다. 그러나 CDS는 독성 물질이므로, 식수에 대한 물 정제와 같은 독성이 우려되는 응용 분야에서 CDS-TIO₂ 복합재를 사용할 때 특별한주의를 기울여야합니다.
표면 변형은 TIO₂의 광촉매 활성을 향상시키기위한 중요한 접근법이다. TIO₂의 표면을 수정함으로써, 우리는 오염 물질에 대한 흡착 용량을 개선하고 전자-구멍 쌍의 분리를 촉진하며 광 에너지의 활용 효율을 증가시킬 수 있습니다.
일반적인 표면 변형 방법 중 하나는 Tio₂ 표면에 고귀한 금속의 증착입니다. 플래티넘 (PT), 금 (AU) 및 실버 (AG)와 같은 고귀한 금속은 Tio와 상호 작용할 수있는 독특한 전자 특성을 가지고 있습니다. 소량의 고귀한 금속 나노 입자가 Tio₂ 표면에 증착되면 전자 트랩으로 작용할 수 있습니다. 예를 들어, PT 나노 입자가 TIO₂에 증착 될 때, TIO₂의 전도 대역에서 여기 전자는 PT 나노 입자에 끌려가 전자-홀 쌍을 효과적으로 분리한다. 이 분리는 재조합 속도를 감소시키고 광촉매 활성을 향상시킵니다. 페놀의 분해에 대한 연구에서, Pt-deposited tio₂는 순수한 tio ₂보다 상당히 높은 분해 속도를 나타냈다. 동일한 실험 조건에서 분해 속도는 약 50% 증가했습니다.
또 다른 표면 변형 기술은 유기 분자와의 TiO₂ 표면의 기능화이다. 유기 기능 그룹은 다양한 화학 반응을 통해 TIO₂ 표면에 부착 될 수 있습니다. 이들 기능성 그룹은 소수성 또는 친수성과 같은 Tio의 표면 특성을 변화시킬 수있다. 예를 들어, 친수성 기능 그룹이 TIO₂ 표면에 부착되면 수용성 오염 물질의 흡착을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 일부 유기 기능 그룹은 또한 전자 공여체 또는 수용체로서 작용하여 광촉매 공정을 더욱 촉진 할 수있다. 연구팀은 특정 유기 분자와 TIO₂ 표면을 기능함으로써 폐수에서 유기 오염 물질의 광촉매 분해가 변형되지 않은 TIO와 비교하여 약 30% 향상되었다고보고했다.
표면 텍스처링은 또한 실행 가능한 표면 변형 방법입니다. TIO₂ 표면에 미세 또는 나노 규모의 텍스처를 생성함으로써, 광 흡수 및 오염 물질 흡착에 이용 가능한 표면적을 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어, 나노 다공성 티오 표면을 제조함으로써 표면적이 크게 증가 할 수있다. 이 증가 된 표면적은보다 효율적인 광 흡수 및 오염 물질 흡착을 허용하여 광촉매 활성을 향상시킨다. 공기 정제에 대한 연구에서, 나노-다공성 Tio₂는 표면적이 증가하고 광 흡수가 개선되어 매끄러운 TIO이 표면보다 휘발성 유기 화합물 (VOC)을 제거하는데 더 높은 효율을 보여 주었다.
나노 입자, 나노 튜브 및 나노와 같은 다양한 형태로의 나노 구조화 TIO는 광촉매 활성에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 나노 구조는 대량 대응에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다.
첫째, 나노 구조는 일반적으로 훨씬 더 큰 표면적 대 부피 비율을 갖는다. 예를 들어, 직경이 10 nm 인 Tio₂ 나노 입자는 표면적 대 부피 비율을 가질 수 있으며, 이는 벌크 tio ₂보다 몇 배 더 큽니다. 이 증가 된 표면적은 광 흡수, 오염 물질 흡착 및 전자 구멍 쌍의 생성을위한 더 많은 부위를 제공합니다. 유기 염료의 분해에 대한 연구에서, Tio₂ 나노 입자는 벌크 tio ₂보다 훨씬 빠른 분해 속도를 보여 주었다. 나노 입자의 분해 속도는 동일한 실험 조건 하에서 벌크 물질의 분해 속도보다 약 80% 높았다.
둘째, 나노 구조는 고유 한 전자 특성을 가질 수 있습니다. 예를 들어, Tio₂ 나노 튜브는 1 차원 구조로 인해 강화 된 전하 분리를 나타낼 수 있습니다. 관형은 튜브 축을 따라 전자를 효율적으로 운반하여 전자 구멍 쌍의 재조합 속도를 감소시킵니다. 물 정제에 대한 연구에서, Tio₂ 나노 튜브는 구형 티오 나노 입자보다 유기 오염 물질을 분해하는데 더 높은 효율을 보여 주었다. 향상된 효율은 나노 튜브 내에서의 전하 분리 및 수송의 개선에 기인한다.
마지막으로, 나노 구조는 다양한 장치 및 시스템에 쉽게 통합 될 수 있습니다. 예를 들어, Tio₂ 나노 와이어를 사용하여 유연한 광촉매 장치를 제조 할 수 있습니다. 이러한 유연한 장치는 공기 및 물 정제를위한 웨어러블 기술과 같은 영역에 적용 할 수 있습니다. 프로토 타입 개발에서, 유연한 TIO ₂ 나노 와이어 기반 광촉매 장치는 시뮬레이션 된 웨어러블 환경에서 유기 오염 물질을 효과적으로 분해하여 실제 응용 분야에 대한 나노 구조화의 잠재력을 보여줄 수있었습니다.
TIO₂ 재료 자체를 수정하는 것 외에도 반응 조건을 최적화하면 광촉매 활성을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
한 가지 중요한 측면은 빛의 강도와 파장의 제어입니다. 다른 응용 분야는 최적의 광촉매 성능을 위해 다른 광도와 파장이 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 물 정제 응용에서 유기 오염 물질을 효과적으로 분해하기 위해 특정 강도의 자외선이 필요할 수 있습니다. 그러나, 빛의 강도가 너무 높으면, Tio₂ 재료의 과도한 가열을 일으켜 광촉매 활성이 감소 할 수있다. 반면에, 빛의 강도가 너무 낮 으면 전자 구멍 쌍의 생성 속도가 충분하지 않을 수 있습니다. 따라서 특정 응용 프로그램 요구 사항에 따라 광 강도를 신중하게 조정해야합니다.
용매 또는 배지의 선택은 또한 광촉매 활성에 영향을 미칩니다. 어떤 경우에는 물과 같은 극 용매를 사용하면 TIO₂ 표면에서 극성 오염 물질의 흡착을 향상시키고 광촉매 과정을 촉진 할 수 있습니다. 그러나, 비극성 오염 물질의 경우, 비극성 용매가 더 적합 할 수있다. 예를 들어, 유성 폐기물 스트림에서 비극성 유기 화합물의 분해에서, 헥산과 같은 비극성 용매를 사용하여 오염 물질과 TIO₂ 표면 사이의 상호 작용을 향상시켜보다 효율적인 분해 과정을 이끌어냅니다.
온도는 고려해야 할 또 다른 요인입니다. 일반적으로 온도의 증가는 화학 반응 속도를 가속화 할 수 있습니다. TIO 연맥 촉매의 맥락에서, 온도의 중간 정도 증가는 전자 및 구멍의 이동성을 향상시켜 재조합 속도를 감소시키고 광촉매 활성을 증가시킬 수있다. 그러나 온도가 너무 높으면 Tio₂ 표면에서 흡착 된 오염 물질의 탈착을 일으키거나 심지어 Tio₂ 재료 자체를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 특정 애플리케이션에 대한 최적의 온도 범위를 찾는 것이 필수적입니다.
TIO₂의 광촉매 활성을 향상시키기 위해 단일 방법에 의존하는 대신, 여러 전략을 결합하는 조합 접근법은 종종 상승적 향상 효과를 달성 할 수 있습니다.
예를 들어, 도핑과 표면 변형의 조합은 매우 효과적 일 수 있습니다. TIOA를 Fe³⁺와 같은 적합한 금속 양이온으로 도핑 한 다음 Doped Tio₂ 표면에 PT와 같은 고귀한 금속 나노 입자를 증착함으로써, TIO₂의 전자 특성은 광 흡수를 개선하기 위해 변경 될 수 있으며 전자-홀 쌍의 분리는 고귀한 금속 나노 입자에 의해 추가로 향상 될 수있다. 복잡한 유기 오염 물질의 분해에 대한 연구에서,이 조합 접근법은 동일한 실험 조건 하에서 순수한 Tio의 두 배 이상의 분해 속도를 초래 하였다.
또 다른 예는 나노 구조화와 다른 반도체와의 커플 링의 조합입니다. Tio₂ 나노 튜브가 먼저 제조 된 다음 ZnO와 결합되어 이종 접합을 형성하는 경우, 나노 튜브의 고유 한 전자 특성은 이종 접합의 유익한 효과와 결합 될 수있다. 나노 튜브는 넓은 표면적 및 효율적인 전하 분리를 제공하는 반면, 이종 접합은 전자 구멍 쌍을 추가로 분리하고 전체 광촉매 효율을 향상시킨다. 공기 정제에 대한 연구에서,이 결합 된 접근법은 나노 튜브 또는 Zno-Tio₂ 이종 접합 단독을 사용하는 것과 비교하여 VOC 제거에서 현저한 개선을 보여 주었다.
조합 접근법은 또한 TIO₂ 광촉매의 여러 한계를 동시에 처리 할 수 있다는 이점을 제공합니다. 예를 들어, 도핑은 제한된 광 흡수 문제를 해결할 수 있고, 표면 변형은 오염 물질의 흡착을 향상시킬 수 있으며, 다른 반도체와의 커플 링은 전자 구멍 쌍의 분리를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 전략을 결합함으로써, TIO₂의 광촉매 활성의보다 포괄적이고 효과적인 향상이 달성 될 수있다.
TIO₂의 광촉매 활성을 향상시키는 데 상당한 진전이 있었지만 여전히 해결해야 할 몇 가지 도전이 있습니다.
주요 과제 중 하나는 향상된 광촉매 시스템의 안정성입니다. 예를 들어, 도핑 된 tio의 경우, 시간이 지남에 따라, 도펀트 원자는 격자 구조에서 확산되어 향상된 광촉매 활성의 감소를 초래할 수있다. 유사하게, 다른 반도체와 결합하여 형성된 복합재에서, 두 반도체 사이의 계면은 시간이 지남에 따라 분해되어 이종 접합의 효율에 영향을 줄 수있다. 이러한 향상된 시스템의 장기 안정성을 유지하는 것은 실제 응용 프로그램에 중요합니다.
또 다른 과제는 향상된 광촉매 공정의 스케일 업입니다. 지금까지보고 된 대부분의 연구는 실험실 규모로 수행되었습니다. 산업 규모의 응용과 관련하여 균일 한 도핑, 나노 구조의 대규모 생산 및 대규모의 효율적인 표면 변형과 같은 문제를 해결해야합니다. 예를 들어, 산업 규모에서 물 정제를위한 티오 나노 입자의 생산에서 균일 한 입자 크기와 일관된 광촉매를 보장합니다.
