Photo-induced Water Adsorption on TiO2 by Delocalized Surface Electrons for Highly Hydrophilic Conversion

Abstract

이산화타이타늄은 화학적으로 안정한 무독성의 광촉매제로 산업적으로 크게 활용되고 있는 소재이다. 특히, 흡광시 보이는 초친수성은 자정, 정화 필름, 방담 필름 등의 친환경제품의 학문적 기반을 제공하고 있지만, 많은 연구에도 불구하고 20년 가까이 그 원인은 규명되지 않은 채 논란이 되고 있다. 그동안의 연구는 자외선 흡광시 늘어나는 표면 작용기와 줄어드는 접촉각의 간접적 연관성에 의존하여 흡광후 나타나는 표면의 구조적인 변화를 정확히 측정하기 어려웠다. 이번 연구는 수정진동자 기반의 고분해능 원자힘현미경을 바탕으로 다양한 파장대의 흡광후 표면에 쌓이는 비편재화된 전자를 통해 성장하는 광흡착물층의 성장속도 및 높이를 직접적으로 측정하여 초친수성을 이해하고자 하였다. 이산화타이타늄의 주 구조인 나노격자 루틸(rutile), 아나타제(anatase) 필름 표면의 광흡착물층은 표면전하가 많을수록 성장속도와 높이가 크게 측정되었고, 특히 산소어닐링을 통해 산소결함이 줄어든 표면 위에서는 성장속도와 높이는 줄어드는 현상과 약 1000 nm 이상의 흡광영역에서는 광흡착물층이 더이상 성장하지 않음을 발견하였다. 이 결과는 산소결함과 연관된 표면의 얕은 준위의 포획된 비편재화된 전자가 물분자와 표면사이의 장거리힘의 원인임을 의미하고 있다. 나아가, 분자동역한 시뮬레이션 연구를 통하여 표면에 쌓이는 물층은 ``water-wets-water" 메카니즘을 통하여 물방울이 접촉각 0도 가까이 줄어드는 현상, 즉 초친수성이 유도됨을 증명하였다. 이와 유사한 흡광후 친수성 변화와 비편재화된 전자는 n-type 광촉매산화물에서도 보고되고 있기 때문에 이 메카니즘의 학문적 응용성은 기대되는 부분이다. 또한 이산화타이타늄의 고유한 산소결함으로 인하여 가시광선, 근적외선 흡광으로도 10 nm 가까이 성장하는 광흡착물층을 발견하였는데, 이는 최근에 각광받고 있는 환경정화용 태양광스마트 코팅 등의 연구에도 산업적 학문적인 기반을 제공할 것으로 기대되며, 나아가 가시광선 영역에서 국소표면플라즈몬공명을 갖고 있는 금속나노입자 등이 도입된 이산화타이타늄의 증가된 흡광을 이용한 효율적인 코팅제 개발에도 기여할 것이다.