싱아산을 결합한 흑연상질화탄소의 빛촉매특성에 대한 제1원리적연구

 2022.11.1.

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《정보기술, 나노기술, 생물공학을 비롯한 핵심기초기술과 새 재료기술, 새 에네르기기술, 우주기술, 핵기술과 같은 중심적이고 견인력이 강한 과학기술분야를 주타격방향으로 정하고 힘을 집중하여야 합니다.》

우리의 연구에서는 흑연상질화탄소에 싱아산을 결합했을 때 빛촉매활성이 훨씬 개선된다는것을 제1원리적으로 밝혔다.

그림 1은 흑연상질화탄소(GCN)의 HOMO와 LUMO를 보여준다. 그림에서 보는바와 같이 HOMO와 LUMO는 둘다 GCN의 질소원자주위에 집중되여 있으며 이것은 전자이행이 질소원자들사이에서 즉 빛려기된 전자와 구멍은 쉽게 재결합한다.


 GCN의 HOMO와 LUMO
그림 1. GCN의 HOMO와 LUMO

그림 2는 싱아산이 결합된 흑연상질화탄소(OAGCN)의 HOMO와 LUMO를 보여준다. 그림에서 보는바와 같이 HOMO는 GCN의 질소원자주위에, 그리고 LUMO는 싱아산분자에 집중되여 있으며 이것은 전자이행이 GCN의 질소원자로부터 싱아산분자에로 이행한다는것을 보여준다. 따라서 빛려기된 전자와 구멍사이의 재결합은 GCN보다 어렵게 일어난다.


OAGCN의 HOMO와 LUMO
그림 2. OAGCN의 HOMO와 LUMO

빛려기된 전자-구멍재결합을 보다 정량적으로 취급하기 위하여 GCN과 OAGCN의 유효질량, 정적유전률, 엑시톤결합에네르기를 계산하였다. OAGCN구조의 전자 및 구멍의 유효질량은 GCN보다 작으며 보다 작은 유효질량은 전하들이 표면의 반응점에 도달할수 있는 가능성을 높여주며 따라서 빛촉매활성을 높여준다. 이것은 OAGCN이 GCN보다 높은 빛촉매활성을 가진다는것을 보여준다. 또한 OAGCN의 정적유전률은 GCN보다 크다. 보다 큰 정적유전률과 보다 작은 유효질량은 보다 작은 엑시톤결합에네르기를 준다. 따라서 OAGCN은 GCN보다 작은 엑시톤결합에네르기를 가지며 이것은 OAGCN이 GCN보다 빛려기된 전자-구멍재결합확률이 작다는것을 보여준다.

이온화포텐샬과 전자친화력을 계산하였다. 카터의 방법을 리용하여 계산된 GCN의 이온화포텐샬과 전자친화력은 실험값과 잘 일치하였다. 따라서 카터의 방법을 리용하여 계산한 OAGCN의 값도 믿을수 있다. 계산결과 OAGCN의 이온화포텐샬과 전자친화력은 GCN의 경우보다 0.5eV 낮다.


GCN과 OAGCN의 VBM 및 CBM준위
그림 3. GCN과 OAGCN의 VBM 및 CBM준위

그림 3은 GCN과 OAGCN의 VBM과 CBM을 O2/O2과 OH/OH-의 산화환원포텐샬과 함께 보여주었다. GCN의 CBM준위는 O2/O2의 산화환원포텐샬보다 높으며 따라서 CBM의 전자는 O2를 O2로 환원시킬수 있다. 한편 VBM준위는 OH/OH-의 산화환원포텐샬보다 높으며 따라서 VBM의 구멍은 OH-를 OH로 산화시킬수 없다. OAGCN에서는 CBM준위가 O2/O2의 산화환원포텐샬보다 약간 높으며 VBM준위는 OH/OH-의 산화환원포텐샬보다 낮다. 따라서 CBM의 전자는 O2를 O2로 환원시킬수 있으며 VBM의 구멍은 OH-를 OH로 산화시킬수 있다. 총체적으로 GCN에서는 CBM의 전자만이 오염물질제거를 위한 라디칼생성에 참가하지만 OAGCN에서는 CBM의 전자와 VBM의 구멍이 둘다 참가한다. 이것은 오염물질제거에서 OAGCN이 GCN보다 빛촉매활성이 높은 한가지 리유이다.

우리의 연구결과는 국제학술잡지《Journal of Molecular Modeling》에 《Ab initio study of photocatalytic characteristics of graphitic carbon nitride assisted by oxalic acid》(https://doi.org/10.1007/s00894-021-04858-2)의 제목으로 발표되였다.