[논문 리뷰] Cu:ZnO deposited on porous ceramic substrates by a simple thermal method for photocatalytic application

Dikra Bouras, Abla Mecif외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 21.

Advanced Photocatalysis Techniques참고 문헌 27인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 현지 점토와 지르코니아를 이용해 제조한 다공성 세라믹 기초 위에 단순 열처리 방법을 통해 구리 도핑된 ZnO 박막을 개발한다. 다공성 구조는 광촉매 효율을 향상시키며, 자외선 조건에서 7시간 내에 유독성 염료의 90.5%를 분해한다. 지르코니아 도핑된 기초는 다공성의 제어로 표면적이 증가하여 도핑되지 않은 기초보다 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

Thin films of undoped zinc oxide (ZnO) and doped ZnO with copper were deposited on ceramic pellets made from abundant local clay materials with an addition of zirconia (ZrO2). The thin layers were prepared by a thermal method using an autoclave. The resulting structural and morphological properties of the products were studied in order to determine the effectiveness of their photocatalytic activities. X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy and UV-visible spectrophotometry were used in this goal. An application test was carried out to quantify the photocatalytic degradation of a toxic organic dye by these samples under UV light. In similar conditions, the layers deposited on the ceramics with addition of zirconia have shown better performances than those without zirconia. This result can be related to the porosity created when the zirconium oxide reacted with SiO2 of the clay. The open porosity observed on this type of substrate allows a larger surface for the photocatalysis. The degradation rate of the dye reached 90.5 % during a period of 7 hours with Cu doped ZnO thin layers deposited on porous substrates modified with addition of ZrO2.

연구 동기 및 목표

• 현지에서 확보 가능한 점토 자원을 이용한 저비용, 대량생산 가능한 광촉매 ZnO 박막 제조 방법을 개발하기 위해.
• 동금 도핑이 ZnO 박막의 광촉매 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 지르코니아 첨가가 점토 기반 세라믹 기초의 다공성과 표면적을 향상시켜 광촉매 활성도를 향상시키는 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 효율적인 자외선 조사에 의한 염료 분해를 위해 ZnO 박막의 구조적 및 미세구조적 특성을 최적화하기 위해.

제안 방법

• ZnO 및 구리 도핑된 ZnO 박막은 고온 고압의 고압처리기에서 열처리 방법을 통해 세라믹 기초에 증착되었다.
• 세라믹 기초는 다양한 비율의 지르코니아(ZrO2)를 첨가하여 다공성을 제어할 수 있도록 현지 점토로 제조되었다.
• 결정구조 및 상 순도를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 이용한 구조적 특성 분석을 수행하였다.
• 표면 질감과 다공성을 평가하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 이용한 미세구조 분석을 실시하였다.
• 요소 성분과 도핑 효율성을 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 통해 검증하였다.
• 자외선 조사 조건에서 독성 유기 염료의 분해를 모니터링하여 자외선-가시광선 분광법을 이용해 광촉매 활성을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 세라믹 기초 위에 증착된 구리 도핑 ZnO 박막의 광촉매 효율성에 구리 도핑이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 지르코니아 첨가가 점토 기반 세라믹 기초의 다공성과 표면적에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 기초의 다공성이 자외선 조사 조건에서 유기 염료 분해 속도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 고압처리기에서의 단순 열처리 방법이 저비용 기초 위에 효과적이고 대량생산 가능한 광촉매 ZnO 박막을 제조할 수 있는가?

주요 결과

• 점토 기반 세라믹 기초에 지르코니아를 첨가함으로써 다공성이 크게 증가하여 광촉매 반응에 유리한 표면적이 증가하였다.
• 지르코니아 수정 기초에 도포된 구리 도핑 ZnO 박막은 자외선 조사 조건에서 7시간 내에 독성 유기 염료의 90.5%를 분해하였다.
• XRD 분석을 통해 ZnO의 유파이트 구조와 동금이 ZnO 격자에 성공적으로 도핑된 것이 확인되었다.
• SEM 영상에서는 지르코니아 도핑 기초에 다공성으로 연결된 미세구조가 관찰되어 빛 흡수 및 반응물 접근성이 향상됨을 확인하였다.
• EDS 결과는 동금이 ZnO 기반구조 내에서 균일하게 분포되어 있음을 확인하여 효과적인 도핑이 이루어졌음을 뒷받침하였다.
• 지르코니아 도핑 기초에 도포된 Cu:ZnO의 광촉매 성능은 다공성이 없는 기초에 도포된 도핑되지 않은 ZnO보다 뛰어나, 도핑과 기초 공학 간의 상호보완적 작용이 입증되었다.