본 논문에서는 CeO2를 로딩하는 손쉬운 방법을 제안하였다. 양극 TiO2의 나노입자(NP) CeO2의 형성으로 이어지는 나노튜브(NT) 어레이 /TiO2 이종 접합. 고도로 정렬된 아나타제 단계 TiO2 NT 어레이는 양극 산화 방법을 사용하여 제작되었으며 이러한 개별 TiO2 NT는 소량의 Ce(NO3 )3 솔루션. 로드된 양극 TiO2 NT는 구워지고 450°C의 고온으로 가열되었으며, 그 이하에서는 Ce(NO3 )3 나노 용기 내부에서 열분해됩니다. Ce(NO3의 열분해 후 )3 , 입방정 CeO2 NP를 얻었고 양극 TiO2에 성공적으로 로드했습니다. NT 어레이. 준비된 CEO2 /TiO2 이종 접합 구조는 XRD, SEM 및 라만 스펙트럼을 포함한 다양한 분석 기술로 특성화되었습니다. 이 연구는 CEO2를 준비하기 위한 손쉬운 접근 방식을 제공합니다. /TiO2 환경 및 에너지 관련 분야에 매우 유용할 수 있는 필름입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">잘 알려진 바와 같이 이산화티타늄(TiO2 ) 재료는 태양 전지, 수처리 재료, 촉매 등과 같은 많은 응용 분야에 널리 사용되었습니다[1,2,3,4,5,6]. TiO2의 이유 및 TiO2 -유래 물질은 광촉매, 전기, 기계적 및 열적 특성이 탁월하여 응용 분야가 많습니다[7,8,9]. 자연적으로 TiO2 아나타제, 루틸 및 브루카이트를 포함하여 가장 일반적으로 발생하는 세 가지 결정질 다형이 있습니다. 3개의 TiO2 중 다형체, 아나타제는 에너지 응용을 위한 전극이나 유기 오염 물질의 분해에 사용되는 가장 광활성 다형체입니다[10, 11]. 아나타제 TiO2 ~ 3.2 eV의 밴드 갭을 가지며 우수한 촉매 활성, 내식성 및 내광성을 나타냅니다. 안정적인 성능, 저렴한 비용, 무독성, TiO2만으로도 아나타제 단계에서 최고의 광촉매로 인정받았습니다.
최근 TiO2 나노튜브(NT) 어레이는 독특한 관 구조 유도 이점으로 인해 큰 주목을 받았습니다[12,13,14,15,16,17,18]. 그러나 상대적으로 넓은 간격(~ 3.2 eV)[19,20,21,22]과 같은 고유한 재료 결함으로 인해 성능이 여전히 제한적이었습니다. 더 나은 응용을 달성하기 위해 TiO2를 추가로 수정하기 위해 적절한 에너지 준위를 가진 협대역 반도체가 제안되었습니다. NT 어레이 [23, 24]. 입방체 CeO2의 밴드갭 약 2.92eV이며 화학적 안정성이 좋습니다. TiO2 CEO2에 의해 수정됨 광촉매, 가스 센서 등의 분야에서 매우 유용한 것으로 밝혀졌습니다[25,26,27]. 광촉매 분야에서 광생성된 전자-정공 쌍의 빠른 재결합은 TiO2의 광촉매 성능을 감소시킵니다. . 그러나 CEO2의 수정 CeO2 내부의 전자-정공 쌍의 재결합 속도를 변경합니다. /TiO2 복합재료. 그림 1a와 같이 CEO2 /TiO2 이종 접합이 형성되면 더 많은 슈퍼옥사이드와 하이드록실 라디칼이 생성되어 광촉매 성능이 향상될 수 있습니다. 가스센서 분야에서는 CeO2 고온에서 산소 가스 감지를 위한 유망한 재료입니다. TiO2 CEO2에 의해 수정됨 CeO2 /TiO2 헤테로 구조는 낮은 작동 온도(<500°C)에서 산소 가스 감지를 가능하게 합니다[28]. CEO2를 준비하기 위해 /TiO2 이종 구조에 대해 졸-겔 방법 및 열수 방법을 비롯한 많은 접근 방식이 제안되었습니다[29,30,31]. 이전 작품들은 매우 흥미로웠고 그들의 제품은 좋은 성능을 보였습니다. 그러나 CeO2를 준비하는 데는 항상 전통적인 방법이 사용됩니다. /TiO2 분말 형태의 이종 구조 및 종종 복잡한 절차. CEO2 준비를 위해 /TiO2 TiO2 기반의 이종 구조 그림 1b와 같은 NT, CeO2를 로드하는 손쉬운 방법 개발 TiO2의 나노입자(NP) NT 어레이가 매우 바람직합니다. 이를 위해 우리는 CeO2를 준비하는 새로운 방법을 제안했습니다. /TiO2 이 연구에서 이종 접합.
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아 TiO2의 에너지 준위 NT 및 CEO2 전자-정공 쌍 이동 및 분리가 있는 NP. ㄴ CEO2의 그림 다이어그램 NP 및 TiO2 NT 이종접합
고도로 정렬된 아나타제 단계 TiO2 NT 어레이는 양극 산화 방법으로 제작된 다음 개별 TiO2 NT는 Ce(NO3 )3 솔루션. 로드된 양극 TiO2 NT는 Ce(NO3 )3 열분해되었다. Ce(NO3의 열분해 후 )3 , 입방정 CeO2 NP를 얻었고 양극 TiO2에 성공적으로 로드했습니다. NT 어레이. CEO2 /TiO2 이 방법으로 제조된 이종접합은 조작이 간단하고 비용이 저렴하며 무해한 무해한 것으로 인식되었다.
먼저 양극 산화 방법을 사용하여 TiO2를 준비했습니다. 나노튜브 어레이 [32,33,34]. 간단히 말해, 티타늄 조각을 작은 조각(5cm × 1.5cm)으로 자르고 평평하게 만들었습니다. 세제로 세척한 후 티타늄 조각을 각각 탈이온수와 알코올로 1시간 동안 초음파 세척기에서 세척했습니다. 건조된 상대 전극이 있는 티타늄 시트를 준비된 전해질(500ml 글리콜, 10ml H2 O 및 1.66g NH4 F) 실온에서. 2시간 동안 두 전극에 60V의 일정한 전압을 가했습니다. 그런 다음 TiO2 NT 필름은 450°C에서 3시간 동안 어닐링되었으며 아나타제 TiO2의 비율 NT를 획득했습니다.
개별 TiO2 양극 필름 내부의 NT는 CeO2의 원료를 적재하기 위한 수천 개의 작은 나노 용기로 간주되었습니다. , Ce가 포함된 솔루션으로 가득 차 있습니다. 그림 2와 같이 TiO2 NT는 Ce(NO3 )3 3초 동안 용액(농도는 각각 0.05, 0.1, 0.2,0.5, 1mol/L)이었습니다. TiO2의 열린 튜브 입구를 보장하기 위해 NTs, TiO2 표면의 불필요한 용액은 주의할 가치가 있습니다. NT 필름은 즉시 정성 여과지를 사용하여 흡수해야 합니다. 필름을 최대한 기울여 용액이 필름의 가장자리로 흐르게 하고 여과지를 사용하여 용액의 균일성을 보장하기 위해 불필요한 용액을 건조시켰다. 그런 다음 로드된 필름을 70°C에서 1시간 동안 건조시켰습니다. 그 동안 Ce(NO3 )3 용질이 TiO2 내부에 침착됩니다. NT 나노 용기. 그리고 건조된 필름을 450°C에서 2시간 동안 더 어닐링했으며, 그 동안 증착된 Ce(NO3 )3 열적으로 CeO2로 분해됩니다. 고온에서의 NP. 마지막으로 CEO2 NP를 획득하여 각각의 단일 TiO2에 부착했습니다. 배열의 NT.
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CEO2의 합성 흐름 /TiO2 이종접합:(a) 빈 TiO2의 준비 NT, (b) TiO2 로딩 Ce가 있는 NT(NO3 )3 용액 및 (c) CeO2의 형성 /TiO2 이종 접합 구조
CeO2의 결정 구조 /TiO2 이종접합을 X선 회절(XRD; D/max 2400 X 시리즈 X선 회절계)로 분석했습니다. XRD는 10° ~ 80° 범위에서 0.03° 간격으로 샘플을 특성화하기 위해 적용되었습니다. 이종접합의 미세구조와 나노튜브의 형태는 주사전자현미경(SEM; JSM-7000F, JEOL Inc. Japan)으로 특성화하였다. 물질의 미시 영역의 원소 분포는 EDS(Energy-Dispersive Spectrometry)에 의해 정성 및 정량적으로 분석되었습니다. CeO2의 결정 구조 /TiO2 이종 접합은 라만 스펙트럼(inVia, Renishaw, UK)으로도 분석되었습니다. 공명 라만 산란 스펙트럼은 구성 요소를 보다 명확하게 표시하기 위해 실온에서 기록되었습니다.
준비된 CeO2의 XRD 패턴 /TiO2 이종 접합 필름은 그림 3에 나와 있습니다. 회절 피크는 TiO2의 아나타제 상으로 식별될 수 있습니다. 및 CeO2의 입방체 상 . 25.28°, 36.80°, 37.80°, 48.05°, 53.89°, 55.06°, 62.68°, 70.30°, 75.03°, 76.02°에 위치한 회절 피크는 평면(10lat1), (10lat1), anatase에 기인합니다. (004), (200), (105), (211), (204), (220), (215) 및 (301) 각각. 또한, 40.1° 및 53.0°에서 작은 회절 피크는 Ti의 (101) 및 (102)에 기인합니다(그림 3a 참조). 이것은 양극 TiO2를 나타냅니다. NT 필름은 이 연구에서 아나타제 결정 구조를 가지고 있습니다. 결정화 과정에서 아나타제 입자는 일반적으로 더 작은 크기와 더 큰 비표면적을 갖습니다. 따라서 아나타제 TiO2 표면은 H2의 강력한 흡착 능력을 가지고 있습니다. 오, 오2 , 그리고 OH − 광촉매 활성이 매우 높다[35, 36]. 아나타제 TiO2의 흡착 능력 NT 필름은 광촉매 반응에 막대한 영향을 미치며 강한 흡착 능력이 활성에 유리합니다. 한편, 28.55°와 33.08°에 위치한 회절 피크는 CeO2의 결정면(111)과 (200)에 인덱스되었다. , 각각 [37, 38]. 그림 3b는 CeO2의 XRD 패턴을 보여줍니다. /TiO2 초기 Ce(NO3가 다른 이종접합 필름 )3 집중. Ce의 농도(NO3 )3 너무 낮았고, 아나타제 TiO2의 회절 피크만 관찰할 수 있었다. Ce의 농도로(NO3 )3 점차 증가하면서 산화세륨의 입방체 상이 나타나고 입방체 CeO2의 회절 피크가 나타납니다. 더 강해졌습니다. 테스트한 XRD 데이터에 따르면 표준 PDF는 CeO2 면심입방정계(FCC) 결정 구조를 가지고 있습니다. 계산된 격자 매개변수는 a =ㄴ =ㄷ =0.5411nm 및 α =β =γ =90°, 표준 PDF와 일치합니다. TiO2 CEO2에 의해 수정되었습니다. 전자/정공 쌍의 분리를 용이하게 할 수 있는 특수 전자 전달 프로세스를 생성하기 위해 이종 접합이 더 단단하고 더 잘 되도록 격자 정합에서 완벽합니다.
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아 TiO2의 아나타제 상의 XRD 패턴 및 큐빅 CEO2 . ㄴ TiO2의 아나타제 상의 XRD 패턴 및 큐빅 CEO2 서로 다른 농도의 Ce(NO3) )3
그림 4는 아나타제 TiO2의 SEM 이미지를 보여줍니다. CeO2에 의해 수정되기 전과 후의 나노튜브 어레이 . TiO2의 상단 프로필 CeO2를 로드하지 않은 NT 어레이 그림 4a와 같이 자체 조직화된 NT 어레이가 매우 조밀하게 발견되었으며 Ce(NO3 )3 이 연구에서 NT를 채우는 솔루션. 평균 튜브 직경은 약 110nm로 평가됩니다. 그림 4b는 양극 TiO2의 미세 구조를 보여줍니다. CeO2에 의해 수정된 NT NP. 순수한 TiO2와 비교하면 Tube-pore Mouth에 긴 스트립이 많이 있음을 알 수 있습니다. NT. 한편, 자세히 살펴보면 튜브 벽 두께가 증가하고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 관찰은 양극 TiO2의 형태가 NT 어레이는 로딩 및 어닐링 프로세스 후에 분명한 변화가 있습니다. 또한 SEM 이미지에서 대부분의 CEO2 NP는 TiO2 상단에 증착되었습니다. NT, 왜냐하면 불필요한 Ce(NO3 )3 용액 처리 시 튜브 상단의 불필요한 용액이 완전히 제거되지 않고 열분해된 CeO2 NP는 튜브 상단에 증착되었습니다. CEO의 형태2 /TiO2 Ce(NO3 포함 이종접합 필름 )3 0.05mol에서 0.5mol까지 다양한 용액 농도가 그림 5에 나와 있습니다. Ce(NO3 )3 용액 농도 증가, TiO2의 나노 입자 NT는 점차 풍부해지고 TiO2에 더 긴 입자가 나타납니다. NT. 이 결과는 CEO2 나노 입자가 양극 TiO2의 튜브 벽에 성공적으로 부착되었습니다. CeO2를 형성하는 NT 어레이 /TiO2 이종 접합 구조. TiO2의 큰 비표면적 NT는 CeO2에 좋은 기질을 제공합니다. 양극 TiO2에 로드할 NP NT 필름.
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a의 일반적인 SEM 이미지 순수 TiO2 수정되지 않은 나노튜브 어레이 및 b CEO2 /TiO2 이종접합(heterojunction)은 열린 튜브 입 형태를 가진 고도로 정렬된 구조를 나타내며 수정 후 CeO2 TiO2에 성공적으로 로드되었습니다. 나노튜브 어레이
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CEO의 SEM 이미지2 /TiO2 Ce(NO3가 다른 이종접합) )3 용액 농도:a 0.05mol/L Ce(NO3)에 담근 샘플 )3; ㄴ 0.1mol/L Ce(NO3)에 담근 샘플 )3; ㄷ 0.2mol/L Ce(NO3)에 담근 샘플 )3; 그리고 d 0.5mol/L Ce(NO3)에 담근 샘플 )3
SEM 테스트 결과와 일치시키기 위해 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 사용하여 CeO2의 원소 조성을 분석했습니다. /TiO2 이종 접합 필름. TiO2 간의 EDS 비교 다이어그램 NT 및 CEO2 /TiO2 이종 접합은 그림 6에 나와 있습니다. 그림 6a에서 볼 수 있듯이 Ti와 O만 감지할 수 있었습니다. Ti 및 O 원소의 원자 백분율은 각각 27.37 및 65.36%입니다. CEO2 샘플 /TiO2 0.1 mol/L Ce(NO3)에서 제조된 이종접합 필름 )3 솔루션은 그림 6b에 나와 있습니다. Ce, O 및 Ti가 감지될 수 있습니다. Ce, Ti 및 O 원소의 원자 백분율은 각각 11.91, 12.04 및 59.98%입니다. EDS 결과에서 CeO2 NP가 TiO2에 성공적으로 입금되었습니다. NT.
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a의 EDS 결과 순수 TiO2 NT 및 b CEO2 /TiO2 Ce(NO3 로딩 후 원소 Ti, Ce 및 O의 존재를 나타내는 이종접합) )3 . 결과는 CeO2의 성공적인 로드를 확인합니다. TiO2에서 NTA
얻어진 필름을 더 자세히 조사하기 위해 라만 분광법을 사용하여 CeO2의 특성을 분석했습니다. -로드된 TiO2 영화. 그림 7은 순수한 양극 TiO2의 두 가지 일반적인 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 영화와 CEO2 /TiO2 1 mol/L Ce(NO3)에서 제조된 이종접합 필름 )3 해결책. 약 400, 530, 645cm에 있는 피크 −1 명확하게 관찰될 수 있으며, 이는 아나타제 TiO2에 기인할 수 있습니다. 단계. 이러한 특징적인 아나타제 TiO2 피크와 함께 , 약 460cm −1 에 새로운 피크가 있습니다. CEO2에 대해 관찰할 수 있는 /TiO2 영화. Raman-active 모드에 따르면 이 피크는 CeO2의 입방체 위상에 기인할 수 있습니다. [39]. 라만 스펙트럼 결과는 또한 CeO2 /TiO2 이종접합이 성공적으로 준비되었습니다.
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순수 TiO2의 라만 스펙트럼 NT 및 CEO2 /TiO2 CeO2를 나타내는 이종접합 NP가 TiO2에 성공적으로 로드되었습니다. NTA
보고된 연구에 따르면 CeO2를 준비하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법은 /TiO2 이종접합은 졸-겔법 또는 이차 산화환원법이다[40]. CEO2를 얻으려면 /TiO2 저렴한 비용으로 매우 간단한 절차로 이종 접합, 이 논문에서 CeO2의 준비 /TiO2 이종 접합은 TiO2를 채워서 달성됩니다. Ce(NO3 포함) NT 나노 용기 )3 용액 및 Ce(NO3의 열분해) )3 . 고온은 Ce(NO3의 화학 결합을 끊습니다. )3 분자와 분해된 Ce, O 및 N 원자는 CeO2로 재형성됩니다. NP 및 NO/O2 . 이 과정을 그림 8과 같이 개략적으로 나타내었다. 먼저 Ce(NO3 )3 농도가 다른 수용액을 TiO2에 채웠습니다. NT 나노 용기. 그런 다음 필름을 70°C에서 1시간 동안 굽고 그 동안 Ce(NO3 )3 물에서 Ce(NO3 형태로 침전됨 )3 ·6H2 O 그리고 마지막으로 Ce(NO3)로 변경 )3 TiO2 내부에 로드됨 NT 나노 용기. 그런 다음 Ce(NO3 )3 -로드된 TiO2 NT 필름은 450°C의 고온에서 2시간 동안 어닐링되었습니다. 고온 조건에서 Ce(NO3 )3 분자가 부서지고 재조합되어 CeO2가 생성됩니다. TiO2 내부의 NP NT. 두 개의 관련된 화학 반응은 다음 식과 같이 표현됩니다. (1) 및 (2):
$$ \mathrm{Ce}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_3\bullet 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Ce}{\left ({\mathrm{NO}}_3\right)}_3 $$ (1) $$ \mathrm{Ce}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_3\to {\mathrm{CeO }}_2\kern0.5em +\mathrm{NO}\uparrow \kern0.5em +{\mathrm{O}}_2\uparrow $$ (2) <그림>
CeO2의 개략도 합성 다이어그램 /TiO2 이종 접합 및 관련 화학 반응식
간단히 말해서 TiO2를 사용하는 손쉬운 방법을 보여주었습니다. Ce(NO3를 로드하기 위한 NT 나노 컨테이너 )3 CEO2를 준비하기 위해 /TiO2 이종 접합 필름. Ce(NO3 )3 각 개별 양극 TiO2 내부의 열분해 NT는 CeO2의 좋은 형성과 분포를 허용합니다. NP. CEO2 /TiO2 이종접합 필름은 잠재적인 응용 분야가 많습니다. 광촉매 분야에서는 CeO2 TiO2의 빠른 전자-정공 재결합을 억제할 수 있습니다. 이종 접합 필름은 유기 오염 물질을 효율적으로 흡착할 수 있습니다. 광촉매 수소 생산 및 TiO2 개선 분야에서 산소 센서, CeO2 NP/TiO2 NTA 필름도 잘 사용할 수 있습니다.
자체 조직 TiO2 NT 어레이는 전기화학 공정을 통해 준비되었으며, CeO2를 담기 위한 나노 용기로 취했습니다. 원료. 열처리 후 잘 분포된 CeO2 NP를 성공적으로 획득하여 TiO2에 로드했습니다. NT 어레이, CeO2 형성 /TiO2 이종 접합 필름. 입방체 CeO2의 형성 및 아나타제 TiO2 XRD에 의해 확인되었습니다. 다양한 CeO2의 미세한 형태 /TiO2 이종접합은 CeO2를 보여주는 SEM을 특징으로 합니다. NP는 튜브 주위와 TiO2의 내벽 내부 모두에 단단히 증착되었습니다. NT 어레이. CEO2의 성공적인 준비 /TiO2 이종 접합 필름은 EDS 및 라만 스펙트럼으로도 확인되었습니다. 요약하면, 이 연구는 CeO2를 준비하는 간단한 방법을 제공합니다. /TiO2 환경 및 에너지 관련 응용 분야에 유망한 좋은 형태, 이종 안정성 및 저렴한 비용을 가진 이종 접합 필름입니다.
에너지 분산 분광법
나노튜브
주사전자현미경
X선 회절
나노물질
초록 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 임상 실습에서 널리 사용되어 왔으며 Iohexol과 같은 조영제는 종종 정상 조직과 병든 조직 간의 CT 영상의 대비를 향상시키는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 조영제는 약간의 독성을 가질 수 있습니다. 따라서 새로운 CT 조영제가 시급히 필요하다. 높은 원자 번호(Z =83), 저렴한 비용, 우수한 생물학적 안전성 및 우수한 X선 감쇠 특성(5.74cm2) kg−1 100keV)에서 비스무트는 나노 크기 CT 조영제 분야의 연구원들로부터 큰 관심을 받았습니다. 여기에서 BiF3를 합성했습니다.
초록 질소(N) 및 탄소 질화물(C3 N4 ) 도핑된 TiO2 공동 침전 경로를 사용하여 나노 구조를 제조했습니다. 고정량의 N 및 다양한 농도(0.1, 0.2, 0.3wt%)의 C3 N4 TiO2에 도핑되었습니다. 격자. 여러 기술을 통해 샘플의 구조적, 화학적, 광학적 및 형태학적 특성을 철저히 조사했습니다. XRD 결과 검증된 아나타제 TiO2 N의 치환 도핑을 따라 존재하는 반면, 도핑 후에는 더 높은 정도의 결정화도와 증가된 결정자 크기가 관찰되었습니다. HR-TEM 연구에서 2차원(2D) C3에 통합된 나노구조의 형성이
