고성능보임빛응답형 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 개발

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)

공업의 급속한 발전과 함께 화학공업, 방직공업, 제약, 염색 등과 같은 많은 분야에서 공업페수가 대량적으로 배출되고있으며 이로하여 많은 물오염문제가 산생되고있다. 환경보호령역의 중요과제인 물오염처리는 전세계적범위에서 중시되고있다. 현재 물오염처리의 전통적인 방법들에는 흡착, 려과, 응집, 침강 등이 있는데 이 방법들에서는 오염물질을 농축 혹은 분리시키거나 한상에서 다른 상으로 변환시킬뿐 오염물질을 근본적으로 파괴하지 못하기때문에 2차오염이 불가피하게 발생한다.

빛촉매산화법은 유기오염물질을 완전분해시키고 깨끗한 에네르기인 태양에네르기를 리용하며 2차오염이 없는 등의 우점을 가지고있기 때문에 가장 리상적이고 전망성있는 페수처리방법의 하나로 되고있다.

1972년에 TiO₂빛촉매가 자외선빛쪼임조건에서 빛촉매활성을 가진다는것이 발견된 때로부터 지금까지 TiO₂빛촉매에 대한 많은 연구들이 진행되여왔지만 TiO₂빛촉매는 금지띠너비(3.2eV)가 비교적 넓기때문에 태양빛의 리용효률이 매우 낮아 실용적측면에서 제한을 받고있다.

이에 따라서 최근년간 태양빛조건에서 빛촉매활성이 높은 새형의 보임빛응답형빛촉매를 개발하기 위한 연구사업이 활발히 진행되고있다.

Bi계빛촉매는 특수한 전자구조와 우수한 보임빛응답특성 그리고 눅은 원가 등의 우점을 가지고있기때문에 우수한 보임빛응답형빛촉매로 주목되고있다. Bi₂MoO₆는 금지띠너비(2.5~2.8eV)가 비교적 좁기때문에 보임빛을 흡수하여 빛촉매활성을 나타낼수 있다. 그러나 순수한 Bi₂MoO₆빛촉매는 빛려기전자-구멍쌍의 빠른 재결합으로 하여 빛촉매활성이 높지 못하기때문에 형태조종, 혼입물첨가, 이질이음형성 등의 여러가지 방법들을 활용하여 그 빛촉매활성을 개선하기 위한 연구들이 진행되고있다.

한편 전극재료로 이미 널리 연구되고있는 Bi₄V₂O₁₁ 반도체재료가 좁은 금지띠너비(~2.1eV)로 하여 보임빛응답특성을 가진다는것이 밝혀짐으로써 최근에 와서 이 재료를 보임빛응답형빛촉매제조에 리용하기 위한 연구가 진행되고있지만 아직 시작에 불과하다.

최근에 김일성종합대학 첨단기술개발원의 연구개발자들은 처음으로 한단계 유기용매열법을 리용하여 보임빛촉매활성이 순수한 Bi₂MoO₆와Bi₄V₂O₁₁ 빛촉매에 비하여 훨씬 높은 보임빛응답형Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매를 연구개발하였다.

SEM과 TEM분석을 통해서 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매는 두께가 약 10nm인 Bi₂MoO₆나노박판겉면에 크기가 약 10nm정도인 Bi₄V₂O₁₁ 나노결정립자가 든든하게 고정되여 형성된 이질이음구조를 가진다는것을 확증하였다.(그림 1)

그림 1. Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 SEM사진과 TEM사진 ㄱ) Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 SEM사진, ㄴ), ㄷ), ㄹ) Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의TEM사진

보임빛(λ>400nm)조건에서 메틸렌청(MB)에 대한 빛촉매분해실험결과에 의하면 빛쪼임시간 15min에서 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 메틸렌청에 대한 빛촉매분해률은 100%에 도달하였지만 순수한 Bi₂MoO₆및 Bi₄V₂O₁₁ 시편들인 경우에는 각각 50%,27%밖에 도달하지 못하였다.

그림 2. 보임빛조건에서 메틸렌청에 대한 빛촉매분해실험결과

ㄱ) 보임빛쪼임조건에서 메틸렌청용액에 대한 빛촉매분해곡선, 빛촉매가 각각 ㄴ) Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매, ㄷ) 순수한 Bi₂MoO₆, ㄹ) 순수한 Bi₄V₂O₁₁ 일 때 빛촉매분해시간에 따르는 메틸렌청용액의 흡광도 및 색갈변화

빛전류세기측정(그림 3-a)과 완전저항스펙트르(그림 3-b)측정결과에 의하면 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매인 경우에 순수한Bi₂MoO₆와 Bi₄V₂O₁₁ 에 비해서 빛려기전자와 구멍의 재결합이 효과적으로 억제되고 분리효률이 더욱 높았다.

그림 3. 제조한 빛촉매들의 빛전류세기와 완전저항스펙트르측정결과 ㄱ) 빛전류세기곡선, ㄴ) 완전저항스펙트르

Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 메틸렌청에 대한 재순환빛촉매분해측정결과에 의하면 4번 순환한 후에도 이질이음빛촉매의 빛촉매분해률은 96.6%로서 높은 순환안정성을 보여주었다.(그림 4)

그림 4. Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 재순환빛촉매분해결과

순수한 Bi₂MoO₆와 Bi₄V₂O₁₁ 에 비해서 Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 빛촉매활성이 현저하게 높아진것은Bi₂MoO₆와 Bi₄V₂O₁₁ 사이에 정합된 에네르기띠구조를 가진 이질이음이 형성되였기때문이다.(그림 5)

그림 5. Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ 이질이음빛촉매의 에네르기띠구조와 빛촉매반응물림새

우리는 이 연구결과들을 《The synthesis of a Bi₂MoO₆/Bi₄V₂O₁₁ heterojunction photocatalyst with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity》 (http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/RA/C7RA12766A)라는 제목으로 SCI잡지《RSC Advances》(2018, Vol.8, pp. 5433-5440)에 발표하였다.