오염물질의 가시광을 통한 효율적인 광분해를 위한 이황화몰리브덴-산화구리(I) 광촉매의 합성

Abstract

지난 10년 동안 수중 유기 오염 물질을 제거하기 위해 반도체 물질을 광촉매로 사용하는 것이 점차 일반화되었고, 폐수에 함유된 의약품 및 개인위생용품 (PPCP)의 효과적인 처리는 환경 복원을 위한 중요 과제로 남아 있습니다. 현재 태양 에너지는 태양 전지, 광전기를 이용한 물 분해, 광촉매를 이용한 수소 생성 및 CO2 광환원 및 광촉매를 이용한 오염물질의 분해에 크게 이용되어왔습니다. 그중 광촉매를 통한 화학 물질로부터 태양 에너지로의 전환은 현재 직면하고 있는 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 큰 도움이 됩니다. 지금까지 TiO2는 UV 조사 하에서 폐수에 함유된 PPCP 및 유기 오염물질의 처리를 위한 가장 일반적인 광촉매로서 등장했습니다. 그러나 표면적이 작고 가시광선에 대한 광 활성이 없기 때문에 태양광에서 효율이 제한적입니다. 따라서, 가시광 조사 하에서 PPCP 및 유기 오염물질을 처리하기 위한 효율적인 광촉매의 개발이 필요합니다. 다양한 금속 산화물 중에서, 독특한 광학 및 전기적 특성을 갖는 잘 알려진 p형 반도체 물질인 산화 제1 구리 (Cu2O)는 태양 에너지 변환, 센서, 광촉매 분해 및 여기자의 응집 전파에 대해 각광받는 물질입니다. 또한 Cu2O의 밴드 갭 에너지인 2.0 eV는 넓은 밴드 갭 반도체에 비해 햇빛을 최대한 활용하는 데 큰 이점이 있습니다. 따라서, 가시광선 조사 하에서 물 분해 및 유기 오염 물질의 분해를 위한 Cu2O 나노 결정의 제조가 널리 연구되어왔습니다. 그러나 이러한 이점에도 불구하고, 실제 적용은 낮은 광 수확 효율, 빠른 전하 재결합 및 광촉매의 낮은 안정성으로 인해 제한됩니다. 이황화 몰리브덴 (MoS2)과 같은 2 차원 반도체는 전자, 광전자 및 에너지 수확에 광범위하게 적용할 수 있는 물질 군으로 부상하고 있습니다. MoS2는 나노 기술에 사용될 수 있는 유망한 물질 중 하나이며 몇 개의 원자 층으로 만들어질 수 있습니다. 소수의 원자 층으로 구성된 MoS2 나노 시트는 표면적이 넓기 때문에 가시광선 영역에서 광촉매 및 광전지 효율이 향상됩니다. 본 연구에서는 유기 오염 물질의 제거를 위해 효율적인 태양 에너지 수확 플랫폼인 Cu2O-MoS2를 개발했습니다. Cu2O-MoS2 나노 복합체는 Cu2O를 MoS2 나노 시트 상에 성장시켜 제조하였습니다. 반도체 광촉매의 제조는 특정 결정면으로 구성되며 광촉매의 오염 물질 분해 성능을 향상시키는 유망한 접근법 중 하나입니다. 비등방성 광촉매는 노출된 두 반도체 표면이 효과적으로 전하를 전달하여 지속적인 전하 균형을 이끌 수 있으므로 광촉매 활성을 향상시키기 위해 바람직합니다. 따라서 태양광을 이용한 광촉매로써 효과적인 Cu2O와 MoS2 나노 시트를 이용하여 다양한 모양의 비등방성 광촉매를 합성하여 유기 염료 및 제약 제품의 분해 능력을 알아보았습니다. 샘플은 X선 회절법, 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경 및 UV-Vis 분광기를 통해 특성을 확인하였습니다. 또한 전자스핀공명 분석, UV-Vis 확산 반사율 분석 그리고 전자-정공 스캐빈저 실험을 통해 광촉매 분해 매커니즘을 알아보았습니다. MoS2 나노 시트에 성장한 Cu2O 큐브 나노 입자의 크기는 약 28-33 nm입니다. 각각의 합성된 촉매로 가시광 조사 하에서 테오필린(theophylline) 및 메틸 오렌지(methyl orange) 제거에 의한 광촉매 활성 실험을 수행하였습니다. Cu2Ocube-MoS2 나노 복합체는 순수한 Cu2O 나노 입자 및 MoS2, Cu2Oocta-MoS2, CuOneedle-MoS2 그리고 Cu2Osphere-MoS2와 비교하여 크게 향상된 광촉매 효율을 보여주었습니다. Cu2Ocube-MoS2의 향상된 광촉매 성능은 주로 태양 에너지 흡수 효율뿐만 아니라 Cu2O에서 MoS2 나노 시트로의 효율적인 전하 수송 및 분리에 기인합니다. 결론적으로, 간단한 합성 방법을 통하여 MoS2 나노 시트에 여러 광촉매를 성장시킨 나노구조체를 합성하였고, 이를 이용하여 물속에 존재하는 오염물질의 광촉매 분해 효율을 알아보았습니다. 그 결과 Cu2Ocube-MoS2는 가시광 (λ ≥ 400 nm) 조사하에서 테오필린 및 메틸 오렌지의 광촉매 분해에 대하여 순수한 나노 입자, 다른 모양의 Cu2O와 CuO 물질보다 우수한 활성을 나타내었습니다. 이는 복합 구조로 인해 증가된 광 흡수량 및 광 생성된 전자-정공 쌍의 효율적인 분리뿐만 아니라 증가된 표면적의 상승효과에 기인할 수 있습니다. 이 연구는 환경 보호뿐만 아니라 오염된 폐수를 분해하기 위한 잠재적인 산업 응용 분야에 적용을 위한 가시광선 광촉매의 제조와 개발에 대한 간단한 전략을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.