이산화 티타늄 (TIO)은 페인트 및 코팅의 안료부터 환경 개선을위한 광촉매에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 오랫동안 인식되어 왔습니다. 최근에는 에너지 분야에서 잠재적 인 새로운 응용을 탐색하는 데 관심이 커지고 있습니다. 이는 다양한 에너지 관련 기술에 대한 유망한 후보가되는 고유 한 물리적 및 화학적 특성 때문입니다. Tio od는 흰색, 무취 및 결정질 분말로, 정상적인 조건 하에서 매우 안정적이며 화학적으로 불활성이며 높은 굴절률을 갖는다. 이러한 특성은 풍부하고 상대적으로 저렴한 비용과 함께 연구원들이 더 효율적이고 지속 가능한 에너지 솔루션의 개발에 어떻게 기여할 수 있는지 조사했습니다.
에너지 응용과 관련된 Tio의 주요 특성 중 하나는 대역 갭입니다. Tioap의 밴드 갭은 일반적으로 아나 타제 및 루틸 상에 대해 약 3.0-3.2 eV이며, 이는 가장 일반적인 결정 구조입니다. 이것은 약 400 nm보다 짧은 파장으로 자외선 (UV) 광을 흡수 할 수 있음을 의미합니다. 충분한 에너지의 광자가 흡수 될 때, Tio₂의 원자가 밴드의 전자는 전도 대역에 흥분되어 전자 구멍 쌍을 생성 할 수 있습니다. 이 과정은 광촉매 및 태양 광 발전과 같은 많은 에너지 관련 응용 분야에서 근본적입니다. 예를 들어, 광촉매에서, 이들 전자-구멍 쌍은 TIO₂ 표면의 물 및 산소 분자와 반응하여 히드 록실 라디칼 (• OH)과 같은 반응성 산소 종 (ROS)을 생성 할 수 있으며, 이는 유기 오염 물질을 분해하거나 수소를 생산하는 데 사용될 수있다.
또 다른 중요한 속성은 표면적 대 부피 비율이 높습니다. 나노 입자, 나노 튜브 및 나노 와이어와 같은 나노 구조화 된 Tio는 매우 큰 표면적을 가질 수 있습니다. 이를 통해 반응이 발생할 수있는 더 많은 활성 부위가 가능합니다. 예를 들어, 염료 감광성 태양 전지 (DSSC)에서, 염료로 코팅 된 티오 나노 입자의 넓은 표면적은 상당한 양의 염료 분자를 흡수 할 수 있으며, 이는 차례로 TIO 단독에 비해 더 넓은 범위의 태양 스펙트럼을 흡수 할 수있다. 이 강화 된 광 흡수는 태양 에너지의 전기 에너지로의 전환 효율을 향상시킨다.
태양 광 발전의 영역에서 Tio₂은 다양한 방식으로 탐구되었습니다. 두드러진 응용 중 하나는 염료 감작 태양 전지 (DSSC)에 있습니다. DSSC에서, Tio₂ 나노 입자는 일반적으로 반도체 전극으로 사용된다. 염료 분자는 티오 나노 입자의 표면에 흡착된다. 햇빛이 세포에 부딪히면 염료 분자는 광자를 흡수하고 여기 전자를 전도 대역으로 옮깁니다. 그런 다음이 전자는 외부 회로를 통해 흐르고 전류를 생성합니다. 연구에 따르면 TIO₂를 사용한 DSSC의 효율은 최적의 조건에서 최대 약 11-12%에 도달 할 수 있습니다. 예를 들어, DSSC의 한 유형 인 Grätzel Cell은 Tio₂ 기반 전극으로 유망한 성능을 보여주었습니다. 그러나, 세포의 장기 안정성을 개선하고 염료 및 TIO₂ 조합을 최적화함으로써 광 흡수 효율을 더욱 향상시키는 것과 같이 여전히 극복해야 할 과제가있다.
Tioig는 또한 페 로브 스카이 트 태양 전지에서 사용하기 위해 조사되었습니다. 이들 세포에서, TiO t는 전자 수송 층으로 사용될 수있다. 페 로브 스카이 트 층에서 생성 된 전자를 외부 회로로 효율적으로 운반하는 데 도움이됩니다. 연구에 따르면 페 로브 스카이 트 태양 전지에서 TIO₂의 적절한 사용은 세포의 전반적인 효율과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, TIO₂ 층의 두께와 품질을 신중하게 제어함으로써 연구원들은 더 높은 전력 변환 효율을 달성 할 수있었습니다. 경우에 따라, Tio₂ 층의 첨가는 페 로브 스카이 트 태양 전지의 효율을 몇 퍼센트 포인트 증가시켰다.
Tio₂를 사용한 광촉매는 에너지 분야에서 수많은 잠재적 응용 프로그램을 갖춘 잘 연구 된 영역입니다. 주요 응용 분야 중 하나는 수소를 생산하기 위해 물 분할입니다. TIO₂가 UV 광으로 조사 될 때, 앞에서 언급 한 바와 같이, 전자 구멍 쌍이 생성된다. 이 전자 구멍 쌍은 TIO₂ 표면의 물 분자와 반응하여 수소 및 산소 가스를 생성 할 수 있습니다. 그러나,이 공정의 효율은 현재 물 분할 반응에 효과적으로 참여하기 전에 전자 구멍 쌍의 재조합과 같은 다양한 요인으로 인해 상대적으로 낮다. 연구원들은 전자 특성을 수정하고 전자 구멍 쌍 재조합을 줄이기 위해 다른 요소와 도핑하는 것과 같이이 문제를 극복하기위한 전략을 연구하고 있습니다.
또 다른 중요한 광촉매 적용은 물이나 공기에서 유기 오염 물질의 분해에있다. Tio break는 유기 화합물을 더 작고 덜 유해한 분자로 분해하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 폐수 처리장에서, Tio₂ 기반 광촉매는 염료, 살충제 및 제약과 같은 오염 물질을 제거하기 위해 테스트되었습니다. 한 연구에서, TIO₂ 광촉매는 UV 광와의 조사 후 몇 시간 내에 특정 염료 오염 물질의 80% 이상을 분해 할 수 있음이 밝혀졌다. 이것은 에너지 집약적 인 전통적인 치료 방법의 필요성을 줄일 수 있기 때문에 환경 개선 및 에너지 절약을위한 Tio potential 광 촉매의 잠재력을 보여줍니다.
Tio in는 또한 에너지 저장 분야에서 약속을 보여주었습니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리에서 Tio는 양극 재료로 사용할 수 있습니다. 전통적인 흑연 양극과 비교할 때 Tio₂에는 특정한 장점이 있습니다. 리튬 저장에 대한 이론적 용량이 높기 때문에 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있습니다. 또한, 충전 및 방전주기 동안 Tio₂는 더 안정적이어서 열 런 어웨이의 위험을 줄이고 배터리의 안전성을 향상시킵니다. 그러나 tio를 양극 재료로 사용하는 데에도 어려움이 있습니다. 흑연에 비해 상대적으로 낮은 전기 전도도는 전하 전달 효율을 향상시키기 위해 전도성 첨가제 또는 나노 구조화 기술을 사용해야합니다. 일부 연구에서, Tio₂ 나노 튜브와 같은 나노 구조화 된 Tio는 리튬 이온 배터리 양극에 대한 전기 화학적 특성이 개선 된 것으로 나타났다.
슈퍼 커패시터에서는 Tio₂도 역할을 수행 할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터는 빠른 전하 및 방전 사이클을 제공 할 수있는 에너지 저장 장치입니다. TIO a은 전극 재료 또는 전극 복합재의 성분으로 사용될 수 있습니다. 높은 표면적과 안정적인 화학적 특성은 슈퍼 커패시터 응용에 적합합니다. 예를 들어, Tio t 나노 입자가 슈퍼 커패시터 전극에 혼입 될 때, 충전 저장을위한보다 활성 부위를 제공함으로써 장치의 커패시턴스를 증가시킬 수있다. 연구에 따르면 슈퍼 커패시터에서 TIO₂의 적절한 사용은 장치의 에너지 밀도와 전력 밀도를 향상시켜 에너지 저장 시장에서 더 경쟁력을 발휘할 수 있습니다.
에너지 분야에서 TIO의 수많은 잠재적 인 응용에도 불구하고, 해결해야 할 몇 가지 도전과 한계가 있습니다. 주요 과제 중 하나는 태양 스펙트럼에서 비교적 좁은 흡수 범위입니다. 앞에서 언급 한 바와 같이, Tio는 주로 UV 광을 흡수하는 반면, 태양 에너지의 상당 부분은 가시적 및 적외선 영역에 있습니다. 이는 태양 광 발전과 같은 직접 태양 에너지 변환 응용 프로그램의 효율성을 제한합니다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 다른 요소와 함께 도핑 티오와 같은 방법을 탐색하여 흡수 밴드를 가시 범위로 이동 시키거나 가시 광선을보다 효과적으로 흡수 할 수있는 다른 재료와 결합합니다.
또 다른 과제는 광촉매 및 태양 광 응용 분야에서 전자 구멍 쌍의 재조합이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 전자 구멍 쌍이 생성 될 때, 그들은 종종 반응이나 전기 생성에 완전히 활용되기 전에 재결합합니다. 이것은 프로세스의 효율성을 줄입니다. 도핑, 표면 변형 및 나노 구조화와 같은 전략이 전자 구멍 쌍 재조합을 줄이기 위해 사용되고 있지만, 최적의 결과를 달성하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
에너지 저장 응용 측면에서, TIO₂의 상대적으로 낮은 전기 전도도는 중요한 단점이다. 리튬 이온 배터리 및 슈퍼 커패시터 예제에서 언급했듯이 TIO₂의 전기 전도도를 향상시키는 것이 더 나은 성능을 위해 중요합니다. 이를 위해서는 전도성 첨가제 또는보다 고급 나노 구조 기술을 사용해야하므로 제조 공정에 복잡성과 비용이 추가 될 수 있습니다.
에너지 분야에는 Tio에 대한 흥미로운 미래 방향과 연구 기회가 많이 있습니다. 초점의 한 영역은 TIO₂의 가시 광 흡수를 더욱 향상시키는 것일 수 있습니다. 가시 범위에서의 흡수를 향상시킬 수있는 새로운 도핑 기술 또는 복합 재료를 개발함으로써, 광전지 및 광촉매 적용의 효율이 상당히 향상 될 수있다. 예를 들어, 표면 플라즈몬 공명을 통한 광 흡수를 향상시킬 수있는 플라스몬 물질과 Tio를 결합하는 것은 유망한 접근법이 될 수있다.
또 다른 연구 기회는 다른 에너지 응용에 대한 TIO₂의 나노 구조를 최적화하는 데 있습니다. tio₂ 나노 구조의 크기, 모양 및 배열을 정확하게 제어함으로써 표면적, 전자 구멍 쌍 생성 및 전하 전달 효율과 같은 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 특정 직경과 길이로 Tio₂ 나노 튜브를 제조하면 리튬 이온 배터리 양극 또는 슈퍼 커패시터 전극에서 성능을 최적화 할 수 있습니다.
또한 연료 전지 및 열전 장치와 같은 새로운 에너지 기술에서 TIO의 잠재력을 탐색하면 적용을위한 새로운 길을 열 수 있습니다. 예를 들어, 연료 전지에서, TIO₂는 잠재적으로 촉매 지지대 또는 전극 재료로 사용될 수있다. 열전 장치에서 고유 한 열 및 전기적 특성을 활용하여 전기로의 전환 효율을 향상시킬 수 있습니다. 전반적으로, 에너지 분야에서 TIO에 대한 지속적인 연구는 앞으로 몇 년 동안 많은 귀중한 통찰력과 응용을 생성 할 것입니다.
결론적으로, 이산화 티타늄은 에너지 분야의 새로운 응용에 큰 잠재력을 보여 주었다. 밴드 갭, 높은 표면적 및 화학적 안정성과 같은 독특한 특성으로 인해 태양 광, 광경사 및 에너지 저장을 포함한 다양한 에너지 관련 기술에 적합한 후보가됩니다. 그러나, 좁은 흡수 범위, 전자 구멍 쌍 재조합 및 상대적으로 낮은 전기 전도도와 같이 극복해야 할 도전과 한계도 있습니다. 가시 광 흡수 개선, 나노 구조 최적화 및 신흥 에너지 기술의 새로운 응용 프로그램과 같은 영역에 중점을 둔 지속적인 연구 및 개발을 통해 이산화 티타늄은보다 효율적이고 지속 가능한 에너지 솔루션을 추구하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
