보임빛응답형 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 제조와 빛촉매특성

위대한 령도자 김정일동지께서는 다음과 같이 교시하시였다.

《환경보호사업을 잘하여야 하겠습니다. 환경보호사업은 조국산천을 더욱 아름답게 만들며 사람들의 건강을 보호증진시키고 그들에게 보다 문명한 생활조건을 마련해주기 위한 중요하고도 책임적인 사업입니다.》 (《김정일선집》 증보판 제22권 309페지)

최근년간 환경오염은 세계적범위의 난문제로 되고있다. 공업페수속에는 유기색감들뿐아니라 많은 중금속이온들이 함유되여있으며 이것들은 전통적인 물리적 및 화학적방법으로는 제거할수 없다.

록색에네르기기술의 하나인 빛촉매기술은 태양빛의 쪼임하에서 각종 오염물질들을 제거하거나 비루스들을 살균하기때문에 더욱더 많은 관심을 끌고있다.

TiO₂은 제일 처음으로 빛촉매분야에 응용된 반도체재료로서 빛촉매활성이 높고 안정성이 좋으며 인체에 해를 주지 않고 가격이 눅은 등의 우점으로 하여 과학연구자들속에서 제일 호평을 받고있는 록색환경보호형 빛촉매로 되고있다.

그러나 TiO₂은 빛촉매로서 그자체에는 아직 일련의 결함들을 가지고있다. 실례로 빛려기전자와 구멍들이 쉽게 결합되고 량자효률이 낮으며 금지띠너비가 Eg=3.2eV로서 빛흡수파장이 좁아 자외선대역(λ<387nm)에 놓이는것이다. 지면에 도달하는 태양빛의 총 에네르기가운데서 보임빛이 차지하는 비률은 43%이고 자외선빛은 겨우 4~6%밖에 차지하지 못하기때문에 TiO₂빛촉매의 태양에네르기리용률이 매우 낮다. 이로부터 새형의 고효률보임빛응답형빛촉매를 개발하는것은 큰 의의를 가진다.

현재까지 많은 새형의 보임빛응답형빛촉매들이 발표되였는데 그가운데서도 제일 중요한 부류의 하나가 바로 Bi계빛촉매이다.

Bi계빛촉매의 일종인 월프람산비스무트(Bi₂WO₆)는 좁은 금지띠너비 (~2.8eV)와 층상의 페로브스카이트형결정구조 등의 특징을 가지고있음으로 하여 주목되는 가시빛응답형빛촉매로 되고있다. 그러나 순수한 Bi₂WO₆빛촉매인 경우 빛려기전하나르개들의 신속한 재결합으로 하여 빛촉매활성이 여전히 높지 못한 결함을 가지고있다.

현재 빛촉매성능을 높이기 위하여 리용되고있는 주요 방법들에는 귀금속겉면침적, 반도체이질이음형성, 혼입물이온첨가, 형태조종 등이 있다.

그가운데서도 반도체이질이음구조형성방법은 이질이음계면에서 형성된 내부전기마당에 의해 빛려기나르개의 분리와 이동이 효과적으로 촉진되기때문에 성능높은 빛촉매재료를 제조하는데서 가장 효과적인 방법으로 지목되고있다.

최근에 김일성종합대학 첨단기술개발원의 연구자들은 고성능보임빛응답형빛촉매를 개발하기 위하여 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매를 설계하고 한단계 유기용매열법을 리용하여 이 재료를 제조하였다. 제조한 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매는 우선 두께가 약 5nm인 Bi₂WO₆나노박판겉면에 크기가 약 6nm정도인 Bi₄V₂O₁₁나노결정립자가 든든하게 고정되여 형성된 이질이음구조를 가지였다.(그림. 1)

그림. 1 (a), (b) 순수한 Bi₂WO₆와 Bi₄V₂O₁₁의 SEM사진, (c)Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 SEM사진, (d), (e), (f) Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 TEM사진

다음으로 보임빛(λ>400nm)하에서 유독성 중금속 Cr(VI)이온에 대한 빛촉매분해실험결과에 의하면 빛쪼임시간 20min에서 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 빛촉매분해률은 100%에 도달하였지만 순수한 Bi₂WO₆및 Bi₄V₂O₁₁시편들인 경우에는 각각 46%, 50%밖에 도달하지 못하였다.(그림. 2-(a)) 빛촉매반응속도에서도 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매는 순수한 Bi₂WO₆와 Bi₄V₂O₁₁들보다 약 10배정도 더 높았다.(그림. 2-(b))

그림. 2 (a) 보임빛쪼임조건에서 Cr(Ⅵ)용액에 대한 빛촉매분해률, (b) ln(C0/C)와 반응시간 (t) 사이의 관계

빛전류세기측정(그림. 3-(a))과 빛발광스펙트르(그림. 3-(b))측정에 의하면 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매인 경우에 순수한 Bi₂WO₆와 Bi₄V₂O₁₁에 비해 빛려기전자와 구멍의 재결합이 효과적으로 억제되고 분리효률이 더욱 높았다.

그림. 3 (a) 빛전류세기곡선, (b) PL스펙트르

한편 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 중금속 Cr(VI)이온에 대한 재순환빛촉매분해측정결과에 의하면 5번 순환한 후에도 이질이음빛촉매의 빛촉매분해률은 93.3%로서 비교적 안정한 순환성능을 보여주었다.(그림. 4)

그림. 4 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 재순환빛촉매분해결과

Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 빛촉매활성이 현저하게 높아진것은 Bi₂WO₆와 Bi₄V₂O₁₁ 사이에 정합된 에네르기띠구조를 가진 이질이음이 형성되였기때문이다.(그림. 5)

그림. 5 Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁이질이음빛촉매의 에네르기띠구조와 빛촉매반응물림새

우리는 이 연구결과들을 SCI잡지《New Journal of Chemistry》(2018, Vol.42, pp. 647-653)에 《Construction of the Bi₂WO₆/Bi₄V₂O₁₁ heterojunction for highly efficient visible-light driven photocatalytic reduction of Cr(VI)》 (http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/NJ/C7NJ03413J)의 제목으로 발표하였다.