이산화 티타늄 나노튜브의 실시간 도핑

이산화 티타늄(titanium dioxide (TiO2))은 친환경 에너지 및 기타 친환경 응용을 위

한 가장 중요한 전이 금속 산화물(transition metal oxides) 중의 하나이다. 본 재료

의 우수한 화학 및 물리적 성질, 생물학적 불활성, 비독성, 광안정성, 저렴한 비용 등

은 광촉매로서의 가능성 뿐 아니라 기체 센서, 광발색 장치, 염료 감응형 태양 전지 

등에 활용될 가능성을 갖고 있다. 일반적으로 큰 표면적(surface area)은 높은 광촉

매 활성도(photocatalytic activities)를 얻는데 중요하다. 나노튜브 및 나노섬유

(Nanotubes and nanofibrils)는 3차원 구조를 통한 큰 표면적을 얻을 수 있기 때문

에 우수하다. 

현재 광촉매로서 TiO2의 이용은 재료의 밴드갭(bandgap) 그리고 전이된 전자와 홀

의 빠른 재조합(electrons-hole recombination)으로 인해 제약을 받고 있다. TiO2

는 태양광의 3%만을 흡수하며, 효율적인 광촉매로 작동하기 위해선 근자외선이 필

요하다. 따라서, 흡수 영역을 가시광선 부위로 확장하고 전자-홀 재조합을 방지하는 

것이 매우 중요하다. 이러한 시스템은 질소 및 황과 같은 저질량 이온 혹은 철 및 코

발트와 같은 전이 금속 이온으로 도핑함으로써 얻을 수 있다. 하지만, 대부분의 도

핑 방법들은 사후 열처리 공정(post-annealing)이 필요한데, 이는 재조합 센터로 작

용하는 결함 혹은 다상 구조(multiphase structures)를 형성하게 된다. 또한 이와 같

은 도핑법은 철 이식 방법과 같이 표면적이 작은 박막에만 국한된다. 

최근 Nanotechnology에 다양한 무기 나노재료에 적용할 수 있는 효과적인 도핑 방

법이 보고되었다. 본 기술을 개발한 연구진은 도핑제 소스로서 성장되어 있는 탄소 

나노튜브 내에 감싸진 철 촉매 잔류물을 이용하였다. 본 공정에선 사후 열처리가 필

요 없으며, 탄소 나노튜브 위에 침착된 아나타제 혹은 루타일(anatase or rutile) 나

노튜브에 존재하는 용질만큼의 높은 농도로 일정한 분포가 가능하다. 이때 CNT는 

주형으로 작용하여 상 분리 혹은 철 분리를 방지하게 된다. 

위와 같이 새로운 재료는 일반적인 TiO2와 비교하여 표면적 당 물의 광촉매 분리 활

성도를 2의 인자 만큼 증가시킨다. 이는 높은 광조사 면적, 3.23 eV에서 2.8 eV로 감

소된 밴드갭에 기인한 증가된 흡수 영역 뿐 아니라 감소된 전자-홀 재조합 속도에 의

해 야기된다. 추가적으로 2 nm 이하의 백금 나노입자를 침적시킴으로써 수소 발생 

속도는 보다 증가하기 때문에 상용으로 이용될 가능성은 보다 증가하게 된다. 

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출처: KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-09