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Jul 21, 2023

금속 칼코게나이드(CuS 또는 MoS2)

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7994(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

여기에서 우리는 두 가지 다른 금속 칼코게나이드(CuS 또는 MoS2)를 사용한 TiO2 나노구조의 변형을 보고합니다. 제조 방식(열수 및 공침 방법)의 효과와 금속 칼코게나이드의 질량 비율을 조사했습니다. 합성된 광촉매 나노복합체는 다양한 기술로 완전히 특성화되었습니다. 또한, 광전 특성과 광촉매 메커니즘을 조사하기 위해 광/전기화학 분석을 수행했습니다. 광촉매 성능은 두 가지 테스트 반응을 사용하여 평가되었습니다. 물 분해를 통한 H2 생성의 경우, 공침법을 통해 합성된 0.5wt% CuS-TiO2가 2.95mmol h−1g−1의 초기 수소 발생률(HER)을 나타내는 것으로 나타났습니다. 반면, 열수법으로 합성된 최적화된 3wt% MoS2-TiO2는 1.7mmol h−1g−1의 HER을 나타냈습니다. 또한, 메틸렌 블루 염료의 분해 효율은 0.5 CT_PP 및 3MT_HT에 대해 UV-Vis 광 조사 하에서 2시간 이내에 98%였습니다. 가시광선 조사 하에서 H2O2가 존재하는 경우 3MT_PP와 0.5CT_HT의 분해 효율은 각각 100%와 96%였습니다. 이 연구는 금속 칼코게나이드가 효과적이고 안정적이며 저렴한 이중 기능성 조촉매로 작용하여 전반적인 광촉매 성능을 향상시킬 수 있음을 입증했습니다.

깨끗한 물과 재생 가능 에너지원에 대한 접근성은 21세기 인류가 직면한 두 가지 주요 과제로 간주됩니다1. 오늘날 산업 발전은 화석 연료에 크게 의존하고 있습니다. 그러나 화석연료원은 미래에 고갈될 수 있다. 더욱이, 활용도가 증가하면 막대한 온실가스 배출이 발생합니다. 친환경적이고 친환경적인 에너지원의 개발은 매우 바람직하다. 최근 반도체 기반 광촉매는 수질 정화 및 수소 생산을 위한 유망한 전략으로 조사되었습니다2,3.

1972년 Honda와 Fujishima가 n형 TiO2 전극4에서 물을 분리하는 선구적인 연구를 수행한 이후 적합한 재료를 찾기 위한 여러 연구가 수행되었습니다. TiO2, CdS, ZnO 등 많은 반도체가 수소 생성 및 수처리를 위해 개발되었습니다5.

TiO2는 가용성, 뛰어난 화학적 안정성 및 무독성으로 인해 가장 광범위하게 사용되는 광촉매로 간주됩니다6,7,8. 그러나 TiO2는 넓은 밴드갭(E0 = 3.2eV), 광여기된 전하 캐리어의 높은 재결합 속도, 빠른 역반응 등으로 인해 가시광선에 대한 반응이 부족한 문제가 있습니다. 따라서 TiO29,10,11,12의 광촉매 활성을 향상시키기 위한 여러 시도가 이루어져 왔다. 이러한 제한으로 인해 TiO2를 귀금속(예: Pt, Pd, Au 및 Ag)13,14, 전이 금속(예: Cu 및 Ni)15,16 및 그 산화물(예: NiO 및 CoOx)17,18, 염료 감응19 및 다른 반도체와의 이종접합 구성20,21. 많은 연구에서는 TiO2의 광촉매 활성을 높이기 위해 귀금속과 그 산화물(예: Pt, Pd, RuO2 및 Ag2O)14,22,23,24을 잠재적인 조촉매로 사용했습니다. 그러나 귀금속은 가격이 매우 비싸다. 따라서, 조촉매로서 비귀금속을 이용한 변형이 시급하다.

최근 몇 년 동안 CdS, CuS, MoS2 및 ZnS와 같은 금속 칼코게나이드 광촉매는 물 분해 및 폐수 처리에 대한 효율적인 광촉매 활성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다. 이러한 특성은 좁은 밴드 갭, 적절한 물리적 및 화학적 구조, 충분한 열 안정성 및 가시광선에 대한 우수한 반응으로 인해 설명될 수 있습니다. 따라서 금속 황화물과 TiO2의 결합은 광생성 전자-정공 쌍의 분리를 촉진하고 염료 분해 및 수소 생성을 위한 광촉매 활성을 높이는 데 중요한 역할을 했습니다. 이러한 금속 황화물 중에서 CuS는 밴드 갭(2.0-2.2 eV)이 좁은 금속 황화물 반도체로 독성이 없고 저렴하며 이용 가능합니다. 더욱이, CuS/TiO2는 유형 II 이종접합을 형성하여 결과적으로 광여기된 캐리어의 분리가 향상되었습니다. MoS2의 경우 간접 밴드갭이 1.2eV이고 단층 형태의 직접 밴드갭이 1.8eV인 2차원 층상 구조의 반도체이다. Huet al. MoS2 나노시트는 광촉매 H2 진화에 대해 CdS의 성능을 49.8mmol h-1g-1로 극적으로 향상시킨다고 보고했습니다. 또한, MoS2는 TiO2와 결합하여 자외선 및 가시광선 조사 하에서 광촉매 수소 생성 및 염료 분해를 향상시키는 것으로 조사되었습니다31,32. 많은 보고서에서 금속 황화물로 변형된 TiO2의 향상된 광촉매 활성에 대해 연구했지만, 이러한 연구는 주로 긴 준비 시간과 고온 조건을 포함하는 합성 방법에 중점을 두었습니다. 손쉬운 공침법은 H2 생성 및 염료 분해에 대한 높은 활성을 갖는 CuS 및 MoS2 조촉매가 탑재된 TiO2를 제조하는 간단한 기술입니다.