이산화티타늄 나노입자의 광촉매 활성 관련 특성 연구 = A study on the properties of TiO<sub>2</sub> nanoparticle for photocatalytic activity
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2019
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182-194(13쪽)
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이산화티타늄(TiO<sub>2</sub>)은 인공광합성의 한 방법인 물 분해에 사용되는 광촉매로 많은 연구가 수행되고 있는 물질 중 하나이다. 본 연구에서는 TiO<sub>2</sub> 나노 입자[(TiO<sub>2</sub>)35, 약 2nm 크기]에서 1개 또는 2개의 중성 산소 원자를 제거함에 따른 특성을 밀도범함수(DFT) 계산을 이용하여 이론적으로 분석하였다. TiO<sub>2</sub> 나노입자의 광촉매 활성 관련 요인을 확인하기 위해 기하학적 구조와 분자오비탈(molecular orbital)을 분석하였다. TiO<sub>2</sub> 나노입자에서 산소를 떼어낸 티타늄 원자들 주변의 구조가 많이 바뀌었고, 초과 전자도 그 주변에 분포되어 있음을 확인하였다. 분자오비탈 분석 결과에서 산소 원자 제거 후 TiO<sub>2</sub> 나노입자의 HOMO(highest occupied molecular orbital)와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위는 거의 바뀌지 않지만, LUMO 준위보다 0.784~1.698 eV 정도 낮은 에너지 수준에서 새로운 오비탈(defect state)이 관찰되었다. 게다가 산소 원자 탈착 후 새롭게 발생하는 defect state의 수는 제거한 산소의 수가 증가함에 따라 증가하는 것도 알 수있었다. 광촉매를 이용한 물 분해 반응의 전위와 TiO<sub>2</sub> 나노입자 분자 오비탈을 비교하면 산소가 제거된 나노입자의 LUMO 준위는 수소 발생 전위와 비슷하고, defect state는 산소 발생 전위와 가까웠다. TiO<sub>2</sub> 나노입자의 기하학적 구조 변화와 defect state는 초과전자로 인한 것임을 알 수 있었다. 이런 결과들은 TiO<sub>2</sub> 나노입자에서 중성의 산소원자를 제거하는 것이 광촉매 효율을 높이는데 중요하다는 것을 이론적으로 잘 보여준다.
더보기Titanium dioxide (TiO<sub><sub>2</sub> </sub>) is one of the most popular materials that studied in the field of photocatalyst for water splitting. In the present study, the properties of 1 or 2 oxygen atom vacancy of TiO<sub>2</sub> nanoparticle [(TiO<sub>2</sub> )<sub>35</sub>, about 2 nm] were investigated by density functional theory (DFT) calculations. The geometry and molecular orbital were analyzed for the origin of photocatalytic activity of TiO<sub>2</sub> nanoparticle. The structure around oxygen vacant site distorted and the excess electrons are localized at titanium atoms that were bonded to vacant oxygen atoms. From the analysis of molecular orbital, the position of HOMO (highest occupied molecular orbital) and LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy level was very similar before and after oxygen vacancy. The defect states induced by oxygen atoms removal were appeared between HOMO and LUMO (0.784 eV~1.398 eV range below LUMO). Moreover, the defect states increased with the number of vacant oxygen atoms. By comparison with the standard redox potentials of water splitting, LUMO level was close to HER (hydrogen evolution reaction) potential and the defect states existed near to OER (oxygen evolution reaction) potential. The excess electrons would be the reason for geometrical change and defect states in oxygen vacant TiO<sub>2</sub> nanoparticle. These could suggest the importance of oxygen vacancy in TiO<sub>2</sub> nanoparticle to improve photocatalytic activity.
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