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Synthesis and Characterization of Silver Phosphate-based Nanocomposites with Visible Light Photocatalytic Activity

Title
Synthesis and Characterization of Silver Phosphate-based Nanocomposites with Visible Light Photocatalytic Activity
Authors
조윤경
Issue Date
2013
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
황성주
Abstract
In chapter I, the beneficial effect of TiO₂ 2D nanosheet morphology on the photocatalytic activity and electronic coupling of TiO₂-based hybrid materials is investigated by the comparative study of 2D TiO₂-Ag₃PO₄nanohybrid with P25-Ag₃PO₄ (i.e. 0D TiO₂-Ag₃PO₄) nanohybrid. In both the TiO₂-Ag₃PO₄nanohybrids, spherical Ag₃PO₄ nanocrystals are immobilized on the surface of TiO₂ 2D nanosheets or P25 0D nanocrystals with the formation of mesoporous stacking structure. In comparison with the hybridization of P25 TiO₂ 0D nanocrystals with Ag₃PO₄, that of TiO₂ 2D nanosheets with Ag₃PO₄ gives rise not only to a stronger modification of electronic structure but also to a more prominent depression of electron-hole recombination. This underscores that the electronic coupling between the hybridized components, i.e. TiO₂ and Ag₃PO₄, is much more prominent for TiO₂ 2D nanosheet than for TiO₂ 0D nanoparticle, as evidenced by X-ray photoelectron spectroscopy. This is mainly attributable to the subnanometer-level thickness of the exfoliated nanosheet. The 2D TiO₂-Ag₃PO₄nanohybrid possesses much higher photocatalytic activity for visible light (λ> 420 nm)-induced degradation of organic molecules than do the P25 0D TiO₂-Ag₃PO₄nanohybrid and the pristine Ag₃PO₄, highlighting the excellent photocatalytic activity of this 2D nanohybrid material. Taking into account the inferior photocatalytic activity of the precursor TiO₂ 2D nanosheet over P25 TiO₂ 0D nanoparticle, the higher photocatalytic activity of 2D TiO₂-Ag₃PO₄nanohybrid clearly demonstrates that the beneficial effect of hybridization is much more prominent for the TiO₂ 2D nanosheet than for the 0D homologue. The present study clearly demonstrates that the exfoliated 2D nanosheet of titanium oxide can be used as an effective platform for exploring highly efficient hybrid-type photocatalysts. In chapter II, water-dispersible silver phosphate nanoparticles with negative surface charge are synthesized by the crystal growth of Ag₃PO₄ phase in the presence of hydrophilic capping agent of poly(vinylpyrrolidone). An electrostatically-derived self-assembly between negatively-charged Ag₃PO₄ nanoparticles and positively-charged CdS quantum dots (QDs) yields core-shell-type Ag₃PO₄@CdS nanocomposite. The homogeneous hybridization of CdS and Ag₃PO₄ nanoparticles is obviously evidenced by elemental mapping analysis and X-ray absorption spectroscopy. The present Ag₃PO₄@CdS nanocomposite displays spherical silver phosphate particles decorated with the surface shell of cadmium sulfide, confirming the formation of core-shell-type material. The composite formation between Ag₃PO₄ and CdS nanoparticles gives rise not only to an enhancement of visible light absorption but also to a notable depression of photoluminescence signal, underscoring the increase of the life-time of electrons and holes. The present Ag₃PO₄@CdS nanocomposite shows higher visible light photocatalytic activity compared with the precursors Ag₃PO₄ and CdS nanoparticles, clearly demonstrating the improvement of the photocatalytic activity of silver phosphate via a strong electronic coupling with cadmium sulfide.;제 1장에서는, 기존의 벌크 물질보다 높은 산화-환원 활성을 지니고, 가시광 하에서 우수한 유기 오염물 분해 활성을 보이는 광촉매를 개발하기 위하여 티탄산화물 2차원 나노시트와 은인산염을 정전기적 인력에 의한 자기 조립 현상을 통해 합성하였다. 양이온성 은-아민 착물 Ag(NH₃)^(+)_(n)과 음전하를 가지는 티탄산화물 2차원 나노시트를 간단한 혼합법을 이용하여 합성하였으며, 활성을 비교하기 위하여 0차원 티탄산화물 나노구조체와 은-아민 착물 Ag(NH₃)^(+)_(n)을 동일 방법으로 혼합하여 합성하였다. 이렇게 합성한 0차원 티탄산화물-은인산염과 2차원 티탄산화물-은인산염 나노혼성체는 투과 전자 현미경 분석과 분말 X선 회절 분석 등을 통해 확인되었다. 또한 고체 자외-가시선 분광법을 통해, 전구체들과 달리 두 물질간의 결합을 통해 전자 구조가 변형됨을 보였다. X선 광전자 분광법의 결과와 종합하여 볼 때 티탄산화물 2차원 나노시트와 은인산염은 매우 강하게 결합하였고, 이를 통해 나노혼성체간에 전자 이동이 기존보다 활발하고 용이하게 되었다. 그리고, 티탄산화물 2차원 나노시트-은인산염 나노혼성체가 보여주는 광발광성은 다른 시료들과 비교하였을 때 거의 다 소멸하였으며, 이는 완벽하게 전자와 정공간의 재조합이 방지됨을 의미한다. 전자와 정공의 수명 증가와 물질간의 밴드갭 차이 감소, 그리고 혼성화를 통한 표면적 증대 때문에 티탄산화물 2차원 나노시트-은인산염 나노혼성체는 4-클로로페놀 및 메틸렌블루 분해 실험에 있어 매우 우수한 활성을 보였으며, 소량으로도 기존의 다른 티탄산화물-은인산염 시스템의 수치보다 훨씬 짧은 시간내에 고농도의 오염 물질 분해가 가능하였다. 이러한 발견을 통해, 티탄산화물 2차원 나노시트를 비롯한 전이금속 산화물 2차원 나노시트가 효율적으로 유기 오염물을 분해나는 가시광 광촉매 혼성체를 합성하는데 유용한 전구체로 사용될 수 있음을 제시하였다. 제 2장에서는, 은인산염 나노입자와 황화 카드뮴 양자점의 콜로이드를 혼성하여 정전기적 인력을 통해 합성한 나노혼성체에 대해 다루었다. 분말 X선 회절 분석을 통해, 은인산염-황화 카드뮴 나노혼성체가 어떠한 상분리 없이 균일하게 혼합되어 있는 구조임을 보였다. 또한 투과 전자 현미경 분석과 주사 전자 현미경 분석을 통해, 은인산염과 황화 카드뮴 양자점이 서로 결합하고 있음을 확인하였다. 또한 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석을 통해 합성된 나노혼성체 내에 은, 황, 인, 그리고 카드뮴 이온이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 고체 자외-가시선 분광법을 통해 나노혼성체의 전자 구조가 전구체에 비해 변화된 것을 확인하였으며, 광발광성을 평가하였을 때 어떠한 전구체들보다 전자-정공 재결합이 억제됨을 관찰할 수 있었다. 이 나노혼성체는 가시광에 감응하여 4-클로로페놀 및 메틸렌블루를 분해하는 광촉매 작용을 일으키는데, 이 때에 분해 효율은 전구체인 황화 카드뮴 양자점이나 은인산염 벌크 물질보다 우수하였다. 반도체 조합체들간의 나노 미터 단위의 자기 조립 현상은 강한 전자적 결합을 유도하여 각각의 구성 물질들의 광촉매 작용을 최적화 하는 데에 유용한 방법이 될 수 있음을 확인하였다.
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일반대학원 > 화학·나노과학과 > Theses_Master
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