광촉매 나노입자의 광촉매 효율 변화에 대한 영향성 확인을 위한 멀티스케일 및 실시간 분광학 연구
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광촉매 특성 향상 정도를 확인하는 가장 쉬운 방법 중 하나는 광전자 분광법을 이용한 전자구조의 변화이다.즉 고 분해능 광전자 및 광흡수 분광법 등을 이용하여 결함구조와 관련된 피크의 전자구조 변화를 관찰하는 것이다.하지만 이들 광전자 분광법은 분해능의 한계로 인하여 실제 관찰하여야 할 나노입자 한 개에 대한 산소결함구조 변화가 아닌 많은 NPs 의 평균값에 해당하는 변화를 보는 것이기 이것만으로는 나노입자 자체의 산소결함구조를 확인하였다고 보기 어렵다.또한 전자구조의 변화로만 광분해 반응경로를 정의하기에는 정확성이 떨어진다.즉 나노입자 하나에 대한 정확한 결함구조 관측이나 광분해 실험과 같은 조건에서의 전자구조 관찰 즉 in-situ 분광법을 이용한 분석이 수반이 되어야 좀 더 명확한 변화를 관측할 수 있다.이를 위해 전자 현미경-전자 에너지 손실 분광법(STEM-EELS)과 insitu-광 분광법을 사용하여 나노입자 하나에 대한 산소 공석 유도 구조의 변화와 실제 발생하는 광분해 반응과 같은 조건하에서의 전자구조의 변화를 관찰하고자 한다.결론적으로 본 과제에서는 multiscale spectroscopic(insitu-XPS 및 STEM-EELS)기법을 이용하여 산소 공석 형성과 원인에 대한 반응경로를 심도 있게 연구하려고 한다.이것은 결과적으로 고성능 MO NPs 광촉매 개발을 위한 산소 공석을 원자 수준과 실제 환경에서의 정밀하게 제어하기 위한 실용적인 지침이 될 수 있다고 생각한다.● 다양한 경로 변환을 통해 합성된 MO NPs 의 성능향상 비교● 광촉매 및 조촉매 역할 및 반응경로 규명● 광분해반응과 같은 조건의 전자구조 규명 및 STEM-EELS 등을 활용하여 나노입자 하나에 대한 명확한 산소결함구조 형성 과정 규명● 최적화된 광촉매 효과 증진 반응경로 규명
본 과제에서 수행하려고 하는 연구 내용을 연차별로 정리하면 다음과 같다.(1)1차 연도(2021)● 이중변조 합성 순서에 따른 MO NPs 의 광촉매 효과 비교 일차년도에 본 연구그룹이 수행하려는 연구내용은 다양한 MO NPs(ZrO2,CoO,Fe3O4)를 전이금속 이온 도핑과 pH 변화 등을 합성 순서에 따른 합성한 후에 산소결함구조의 변화를 고 분해능 전자현미경과 고 분해능 광흡수 분광법을 이용하여 산소결함구조 변화 규명과 이와 연관되는 광촉매 특성의 변화에 대한 반응경로를 규명하는 것이다.(2)2차 연도(2022)● 전이금속 이온 도핑 량에 따른 MO NPs 에서의 조촉매와 광촉매의 선택적인 역할 규명 및 광분해 반응을 증진 시킬 수 있는 반응 경로 연구이차년도에서는 pH 변화를 통해 산소결함구조를 형성한 후 다양한 전이금속 이온들의 농도변화를 통하여 합성된 MO NPs 의 광촉매 특성변화와 도핑 된 전이금속 이온들에 의한 광촉매와 조촉매 특성의 선택적인 역할을 규명하는 연구를 수행할 것이다.(3)3차 연도(2023)● 멀티스케일 및 in-situ 광전자 및 흡수 분광 실험● 광분해 반응 향상을 위한 원인규명에 대한 데이터베이스 구축3차년도에서는 multiscale spectroscopic(insitu-XPS 와 XAS 및 STEM-EELS)기법을 집중적으로 이용하여 산소 공석 형성과 원인에 대한 반응경로를 심도 있게 연구하려고 한다.3년간의 연구를 토대로 규명한 성능 좋은 광촉매 MO NPs 에 대한 명확한 반응 경로에 대한 심도 깊은 연구를 진행하고자 한다.
최적화된 산화금속 나노입자들을 이용한 효율적인 광촉매의 개발에 체계적인 이해를 돕고,저비용 고효율의 광촉매 나노입자를 통한 환경 및 에너지 등 광범위한 응용 분야에 중요한 데이터베이스를 제공할 것이다.광분해 촉매,가스센서,자성가진 광촉매 등을 이용한 배터리,수질오염 감소,등에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.