Titanium dioxide (TiO2), an oxide semiconductor, is regarded as a suitable material for various photocatalytic applications because of its strong oxidizing power, high chemical inertness, low cost, and long-term stability. However, a large band gap (3.2 eV) of anatase TiO2 restricts its use only to the narrow light-response range of ultraviolet (only 3~5% of total sunlight). This thesis study aims at the synthesis of novel graphene-wrapped anatase TiO2 nanoparticles (NPs) that highly enhance the photocatalytic activity of TiO2 under visible light irradiation. Graphene-anatase TiO2 hybrid NPs were prepared by wrapping amorphous TiO2 NPs with gra-phene oxide (GO), followed by a one-step GO reduction and TiO2 crystallization via hydrothermal treatment. Graphene-TiO2 NPs exhibited a red shift of the band edge and a significant reduction of the band gap (2.80 eV). It was found that graphene-TiO2 NPs possess excellent photocatalytic property under visible light for the degradation of methylene blue with a rate constant of 0.0341 min-1, which was much higher than those of other TiO2-based photocatalytic materials. The strategy presented in this study will enable a ready integration of functional semiconductor NPs and graphene nanosheets for the synthesis of highly photoactive graphene-based metal oxide hybrid materials.
금속산화물인 이산화티탄늄은 강한 산화력, 높은 화학적 안정성, 낮은 가격 지속적인 안정성 등의 이유로 다양한 광촉매의 응용물질로 되었다. 그러나 이산화티탄늄의 아나테이즈상이 가지는 넓은 밴드갭 (3.2 eV) 때문에 좁은 범위의 적외선영역 (태양 빛의 3~5 % 정도) 에서만 반응한다. 따라서 본 논문에서는 가시광선 감응형 그래핀-이산화티탄늄 하이브리드 소재를 개발에 목표를 두고 있다. 그래핀-이산화티탄늄 하이브리드 소재는 비결정 상태의 이산화티탄늄을 기본으로 그 위에 그래핀 시트로 감싸 복합체를 만든 후에 수열합성의 과정으로 그래핀을 산화그래핀으로 부터의 환원시키고 비결정의 이산화티탄늄을 아나테이즈 상으로의 결정화를 동시에 하는 수열합성 한단계 과정만을 통해 개발하였다. 이렇게 만들어진 하이브리드 소재는 밴드갭을 좁혀 (3.20 eV -> 2.80 eV), 가시광선 영역에서의 광촉매 효과를 가지게 됐으며, 이는 가시광선내에서 유기오염물질인 메틸렌블루을 없애는 광촉매 실험을 통해 확인할 수 있었다. 또한 다른 이산화티탄늄 합성 물질과 비교하여도 높은 광촉매 효율을 보였다. 결과적으로 본 논문은높은 광촉매 효율을 가지는 그래핀-금속산화물 하이브리드 물질을 제조하는데 설계를 했다고 말할 수 있다.
