Synthesis of Ta-doped TiO2 Nanorods and Ta:TiO2/Fe2O3 Heterostructure for PEC Application

Abstract

최근 화석연료의 고갈과 환경오염의 문제가 대두됨에 따라 친환경적인 에너지에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 그 중에서도 태양에너지를 수소에너지로 전환할 수 있는 광 촉매를 이용한 기술은 안전하며 간단하고 부산물이 없다는 점에서 재생에너지로써 매우 효과적인 방법이다. [1] 활발하게 연구되는 광 촉매 물질은Fe2O3[2]¬, WO3[3], CdS[4] 등 이 있는데 그 중에서도 TiO2는 1972년 단 결정 전극에 빛을 비추면 물이 분해된다는 보고가 광 촉매 연구의 시작이 되었으며아직까지도 다양한 방면으로 연구가 진행되고 있다.[5, 6] TiO2 의 경우 morphology를 조절하기 쉽고 electron과 hole diffusion length가 다른 물질에 비해 긴 편이라 recombination을 억제하는 방면에서 큰 장점이 있다. 하지만 TiO2 는 저항이 매우 커서 생성된 electron이 FTO기판에서 빠져나가기 힘들어 recombination 이 일어나 photo-catalytic efficiency을 상당히 떨어뜨리는 단점이 있기 때문에 Ta이나 Nb 등 여러 atom을 TiO2 에 doped을 하여 저항을 낮추는 등의 이를 극복하고자 하는 연구가 필요한 시점이다.[7, 8] 본 연구에서는 FTO 기판 위에 TiO2를 hydrothermal 방식으로 성장하였고, 표면적을 넓힐 수 있는 1D structure의 구조로 합성하여 물과 반응하는 영역을 넓혀 water splitting을 더 잘할 수 있도록 설계를 하였다. 특히Tantalum을 doped 시켜 TiO2의 conductivity를 향상 시켜 electron이 보다 더 흐를 수 있게 하여 photo-catalytic property의 향상을 하도록 하였다. 또 Tantalum 이 doped 된 TiO2 의 향상을 위해 Fe2O3 와 이종접합을 하여 특성의 향상을 이끌어 내었다. 본 석사 졸업논문에서는 nanorod로 성장시킨TiO2와 Ta이 doped된 TiO2를 비교하여 미세구조의 변화 및 특성 향상에 대해 논하고 이를 더 향상시킬 수 있는 방안으로서 Fe2O3 와 이종접합을 하여 더 향상된 광촉매를 합성할 수 있었다.