Inorganic nano-semiconductors including quantum dots and metal oxides have bandgap energies that can absorb the entire range of sunlight. Their applications to photocatalysis have been actively studied. However, when these inorganic materials are employed alone, it is difficult to achieve the desired level of efficiency in the application. In this thesis, it was tried to study the synthesis and design of heterostructured nanocrystals between various material combinations suitable for applying them to photocatalysts.
Heterojunctions between various inorganic nanomaterials were investigated, thereby improving photocatalytic activities or optical properties. First, potential of amorphous $TiO_2$, which is not well used due to the trap of charges, was studied as a photocatalyst. It was revealed that thin layer of $TiO_2$ on quantum dots facilitates release of electrons for $H_2$ production. Next, we proved that junction of $TiO_2$ and CuPt alloy catalysts contributed to improved selectivity and efficiency of $CH_4$ in $CO_2$ conversion. Small size of CuPt nanoparticles exposed facets on which carbon dioxide could be efficiently adsorbed, which was confirmed by molecular simulation. Finally, heterojunctions between quantum dots by cation exchange were investigated. During cation exchange, defect can be produced due to residual cations. New cation exchange method was designed using metal-ligand interaction, which improved optical properties of heterostructures. This study is expected to be used as a new synthesis method of blue-emitting quantum dots, which is an issue in light emitting diodes.
This thesis provides insight on design of the heterostructure nanocrystals. The synthetic method that we developed has a positive effect on application to enhanced photocatalysis and light emitting diode.
양자점 및 금속산화물을 포함한 무기 나노 반도체는 태양광 전 영역을 흡수할 수 있는 밴드갭 에너지를 갖고 있어, 그를 이용한 광촉매로의 응용 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 이러한 무기물질을 단독으로 사용하면, 우리가 원하는 수준의 효율에 도달하기가 어렵다. 효율을 극대화하기 위한 방법 중에 하나는 새로운 이종나노구조의 합성이다. 두 물질의 조합을 극대화하기 위해서는 밴드갭 위치의 적절한 배열을 통한 전하 분리 및 전하의 방출이 중요하다. 본 학위논문에서는 금속 및 반도체 조합의 이종 접합을 유도하고 광촉매 응용에 적합한 이종나노구조 합성 및 설계를 연구한다.
본 학위논문에서는 금속산화물과 양자점, 금속산화물과 금속 나노입자, 양자점과 양자점과 같은 다양한 무기나노입자 간의 이종 접합을 유도하였으며, 이를 통해 광촉매 활성 또는 광학 특성을 향상시켰다. 본 연구에서 밝혀진 새로운 합성법 및 이종나노구조의 설계는 향후 다른 물질로의 적용이 가능하여 광촉매 분야에서는 더 넓은 영역의 광을 활용하거나 화학 반응을 활성화하는데 이용될 것으로 기대되며, 광촉매 분야 이외에도 광전자 소자의 효율 향상에 기여할 것으로 기대된다.
