p-type Pd의 편재 도핑을 통한 내부 p-n 접합 타이타니아 나노튜브의 제조 및 응용

초록

타이타니아 나노튜브는 양극산화를 통해 타이타늄 금속 기판 위에서 비교적 쉽게 성장시킬 수 있으며, 높은 촉매 활성과 내화학성 및 비교적 긴 전자-정공 쌍의 수명 특성을 나타낸다. 또한, 수소 및 산소 발생 준위가 타이타니아 band gap 사이에 위치하여 수소 생산을 위한 광(전기)화학 촉매 소재로 널리 연구되고 있다. 하지만 타이타니아의 band gap은 약 3.2 eV로 전체 태양광의 약 4%를 차지하는 UV 광선만이 수소 생산에 사용될 수 있어 수소 생산 효율을 제한하게 된다. 따라서 이종 물질 도핑, 접합, 복합체 형성 등의 응용을 통해 band gap을 낮추어 광촉매 활성을 높이고 가시광 반응을 향상하기 위한 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 n-type의 타이타니아 나노튜브에 p-type Pd의 편재 도핑을 통해 내부에 p-n 접합의 형성 및 전기화학적 광촉매 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 저전압 하에서 Pd를 도핑하는 경우 타이타니아 나노튜브 하단까지 도핑이 되지 않지만, 고전압을 인가하여 도핑하면 타이타니아 나노튜브의 하단 부분에 Pd의 농도가 편재하여 존재하는 것을 TOF-SIMS profile을 통해 확인하였다. 또한, 상단과 하단의 XPS 분석을 통한 valence band를 확인했을 때, 상단에서는 n-type, 하단에서는 p-type으로 동작하여 p-n 접합을 가진 타이타니아 나노튜브가 형성되며 이에 따라 전자-정공의 발생과 흐름의 촉진을 통해 광촉매 성능이 향상됨을 확인하였다.