Preparation and Characterization of Nanostructured TiO2-based Photocatalysts for Environmental and Energy Applications

Abstract

본 연구는 환경과 에너지 응용을 위한 나노구조를 갖는 TiO2 광촉매의 제조 및 특성 분석에 관한 것이다. 전세계적으로 현재 인류를 가장 크게 위협하고 있는 것은 환경 오염과 에너지 고갈 문제이다. 지속 가능한 문명의 발전을 위해서 환경 정화 기술 및 재생 가능한 청정에너지 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. TiO2 광촉매는 빛을 흡수하여 촉매작용을 할 수 있는 물질로써 환경 정화 및 신재생 에너지 관련 분야에서 널리 응용되고 있다. 그러나 TiO2 광촉매의 효율은 자외선에 제한된 광흡수 특성 및 광생성된 전하의 재결합 문제 때문에 크게 제한 받고 있다. 그러므로 고효율의 광촉매 개발을 위해서는 광흡수대를 가시광선 영역으로 확장시키고, 효율적으로 전하를 분리 및 전달하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 광촉매 과정에 대한 이론적 고찰을 통하여 광촉매 효율에 기여하는 요소들을 도출한 후, 이 요소들을 적극적으로 반영하여 다양한 나노구조를 갖는 TiO2 광촉매를 제조 및 특성 분석하고 최종적으로 오염 물질 분해 및 수소 생산 실험을 통해서 광촉매 특성을 평가하고자 하였다. 1부에서는 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 광촉매 기술에 대한 전반적인 소개를 하고, 광촉매 과정에 대한 이론적인 고찰과 기존 연구에 대한 사례 분석을 통하여 효율 향상에 필요한 요소들을 도출한 뒤, 이를 이용하여 광촉매 효율 향상을 위해 요구되는 TiO2의 특성 및 구조를 제안하였다. 2부에서는 효율적인 전하의 전달을 향상시키기 위하여 TiO2 나노튜브와 Ti-MOF 기반의 광촉매를 제조하고, 이들의 형상 및 기공구조가 광촉매 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. TiO2 나노튜브에 관한 연구를 통하여 1D 구조 및 기공 특성에 의하여 우수한 광분해 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한 기공특성이 극대화된 Ti-MOF를 제조하고, 이를 물분해를 통한 수소생산에 응용함으로써 새로운 형태의 광촉매 구조를 제시하였다. 3부에서는 제한된 광흡수 영역을 확장시키기 위하여 질소가 도핑된 TiO2 나노입자를 제조하고, 질소 도핑이 밴드갭에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 제조된 나노입자는 질소도핑 효과에 의하여 광흡수 영역대가 가시광선 쪽으로 확장되었고, 이를 통하여 광분해 성능이 향상되었음을 확인하였다. 4부에서는 효율적인 전하의 전달과 제한된 광 흡수 특성을 동시에 향상시키기 위하여 니켈이 도핑된 TiO2 나노구조를 제조하고, 니켈 도핑이 형상 조절 및 밴드갭 제어에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 제조된 TiO2 물질은 니켈 도핑 효과에 의하여 나노구조 제어가 가능하고 이에 따라 효과적인 전하 전달이 가능함을 확인하였다. 동시에 광흡수대를 가시광선 영역으로 확장시킴으로써 우수한 광분해 성능을 보이는 광촉매를 제조할 수 있었다.

This thesis describes the preparation and characterization of nanostructured TiO2-based photocatalysts for environmental and energy applications. Technologies that protect the environment and act as alternative sources of clean energy are emerging as important global issues, providing a number of challenges to the sustainable development of human society. TiO2 photocatalysis is a process that occurs on the surface of TiO2 under light irradiation. It is one of the most promising technologies for achieving both environmental remediation and renewable energy. Currently, the practical applications of TiO2 photocatalysts are extremely restricted owing to two main issues that reduce the photocatalytic efficiency: limited light absorption due to the wide band gap of TiO2, and recombination of the photogenerated charge carriers. Therefore, it is highly important to develop TiO2 photocatalysts with extended light absorption and enhanced charge transport for high-efficiency. The aim of this study was to identify the factors that could be varied in order to achieve these requirements by examining the theoretical considerations, and then to design various nanostructured TiO2 materials for photocatalytic applications. Part I provides a general introduction regarding TiO2 photocatalysts. Using theoretical considerations and state of the art analysis, the factors for highly-efficient photocatalysis are extracted. The aims of the present work are introduced on the basis of these derived factors. In Part II, with the aim of enhancing charge transport, TiO2 nanotube and Ti-metal-organic framework (MOF)-based photocatalysts were prepared, and the effect of morphology and porosity on the photoactivity was examined. It was found that one-dimensional, porous TiO2 nanotubes contributed to enhancing the photocatalytic activity. In addition, Ti-MOFs, which are extremely porous solids are suggested as a new class of photocatalyst. Part III discusses the preparation and properties of N-doped TiO2 nanoparticles as a strategy to extend the light absorption of the material to the visible region. The absorption threshold of the obtained TiO2 nanoparticles was shifted to the visible region due to N-doping in TiO2, which contributed to improving the photocatalytic activity under visible light. Part IV presents Ni-doped TiO2 nanostructures as a strategy to both extend the light absorption and enhance the charge transport. The nanostructure of the TiO2 could be controlled by Ni-doping, which resulted in reduced recombination and efficient charge transfer. Simultaneously, the light absorption of TiO2 was extended to the visible region, which enabled the achievement of a highly efficient photocatalyst under visible light.