산화티탄 나노튜브에 있어 광여기 전하 분리 거동을 해명
大阪대학 산업과학연구소에서는 특이한 저차원 나노구조를 갖는 산화티탄(티타니아) 나노튜브(TiO2NT)의 광여기로 발생하는 전자·정공의 수명 등을 상세하게 조사, 그 수명이 통상의 산화티탄나노입자와 비교하여 5배 이상 길다는 것을 밝혀냄과 동시에 이러한 특징으로 할로겐 화합물의 광촉매 분해반응도 상당히 효율적으로 진행하는 것을 밝혀냈다. 산화티탄 광촉매는 자연 에너지인 태양광을 이용하여 유기물을 분해할 수 있다는 점에서, 농업폐액 등의 환경유해물질 정화, 탈취, 항균 등에 널리 사용되고 있다. 최근 이 산화티탄이 템플레이트 등을 일체 사용하지 않고 직경 수 nm의 나노튜브 구조를 형성한다는 것이 발견되었고, 또한 우수한 광촉매 특성을 나타낸다는 점과 색소증감형 태양전지 전극 재료로서 유망하다는 것이 알려져, 환경·에너지 재료로 높은 주목을 끌고 있다. 그러나 광화학반응에 있어 산화티탄나노튜브의 특징이나 통상의 티타니아 나노입자와의 차이 등에 대해서는 해명되지 않았다.
이번에 眞嶋교수 등은 나노 초시간 분해능 확산반사법을 이용하여 나노튜브에 대한 자외광레이저 조사(나노초Nd : YAG레이저 ; 355nm, 5NS)에 의해 생성한 전자 및 홀의 수명 등을 조사함으로써 전하 분리 및 재결함 과정을 평가하여 나노튜브 구조를 갖는 산화티탄의 특징을 자세하게 조사했다. 그 결과 나노튜브에 있어 외견상의 전하분리양자 수율은 7에서 20nm정도의 입경을 가진 시판 티타니아 나노입자와 비교했을 경우에는 낮지만, 400℃의 아닐에 따른 결정성 향상으로 증가한다는 것을 확인했다. 또 유기기질 공존 하에서의 측정 결과로 광여기에 의해 생성한 홀 및 전자의 수명이 일반적인 나노입자에 비해 5배에서 10배 이상 길다는 것을 확인했다. 아울러 CCl4을 계(系) 속에 첨가하면 광 여기에 의해 생성해서 나노튜브 표면에 트랩된 전자와 CCl4가 신속하게 반응한다. 즉 할로겐 화합물의 광촉매 분해 반응이 상당히 효율적으로 진행된다는 것을 밝혀냈다. 이상의 결과는 나노튜브 안에서 생성한 전자와 홀이 효율적으로 나노튜브 안을 1차적으로 이동하고 있는 것에 기인하기 때문이라고 결론을 내렸다.
이렇게 산화티탄 나노튜브는 특이구조와 광반도체의 구성하는 기능상관에 기초하여 흥미로운 물성을 나타낸다는 점에서 환경정화용 광촉매로서는 물론이고 태양전지 전극이나 수분해에 의한 수소발생촉매 등의 응용을 기대할 수 있다. (CJ)