Facile Fabrication of Carbon-doped ZnO Submicron spheres with Dispersion Stability for High-Efficiency Photocatalysts

Abstract

In this work, we propose a facile fabrication method for C-doped zinc oxide (ZnO) submicron spheres using ionizable surface groups without an additional surface modification process after heat treatment. The synthetic method is comprised of diffusion of zinc precursors into pH-responsive polymer microspheres and a subsequent heat treatment step. After heat treatment at an arbitrary temperature, the ionizable functional groups remaining on the surface of C-doped ZnO submicron spheres resulted in improved dispersion stability of the spheres in the fluid colloidal system. Using the photocatalytic activity test, the relationship between dispersion stability and the photocatalytic property of the C-doped ZnO submicron spheres was investigated. As a result, the content of carbon atoms and the surface functional groups depended on the pH of the reaction medium.|본 연구에서는 산도 응답성 가교 고분자 입자인 폴리 메타아크릴릭에시드/에틸렌 글리콜디메타아크릴레이트 [poly(MAA/EGDMA)]를 주형으로 이용하여 아연 전구체 및 이온을 입자의 내부로 확산시킨 후 열처리 과정을 통해 다공 구조를 가진 탄소가 도핑된 산화아연 나노 입자를 제조하였다. 세가지 산도 조건의 수용액상에서 아연 전구체 및 이온종은 poly(MAA/EGDMA) 입자의 내부로 정전기적인 인력과 농도 차에 의해 확산되는데 동일한 확산시간 동안 도입되는 양과 위치가 산도에 따라 크게 달라진다. 최종과정인 열처리 과정을 통해 표면 이온화가 가능한 기능기의 도입 정도가 조절된 탄소가 도핑된 산화아연 복합 입자를 제조하였다. 세가지 산도조건에서 각각 제조된 세가지 시료의 형태와 구조 및 아연 전구체 및 이온의 도입 상태를 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM) 및 에너지 분광맵 (EDX mapping)을 통해 확인하였고 열처리된 산화아연 입자의 표면에 존재하는 탄소층의 여부도 확인되었다. 자외선-가시광선 분광법 (UV-Vis spectroscopy)을 이용하여 탄소가 산화아연 입자의 내부결정으로 도핑된 효과로 인해 광 흡수 영역을 가시광선 영역 쪽으로 더 넓힐 수 있음과 동시에 밴드갭 에너지가 작아지는 것을 확인하였다. 특히 열처리 과정 이후에 탄소가 도핑된 산화아연 복합입자의 표면에 남아있는 카르복실산 그룹이 수용액상에서의 입자 분산 안정성을 개선시킨다는 것을 제타 전위 (Zeta potential), 적외선 분광 분석기 (FT-IR), X선 광자 분광법 (XPS) 및 분산 안정성 측정기기 (TURBISCAN)를 통해 증명하였다. 제조된 복합입자의 광촉매 성능을 수용액상에 존재하는 유기 오염물의 광분해 속도를 통해 확인하였으며 광촉매 입자의 분산안정성이 좋을수록 유기 오염물의 광분해 속도가 빠르게 나타났다. 본 결과를 통해 콜로이드 시스템에서의 광촉매 성능이 광촉매 입자의 분산안정성에 크게 영향을 받는다는 것을 증명하였고 광촉매 뿐만 아니라 미래에 각광받는 광학 물분해의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.; In this work, we propose a facile fabrication method for C-doped zinc oxide (ZnO) submicron spheres using ionizable surface groups without an additional surface modification process after heat treatment. The synthetic method is comprised of diffusion of zinc precursors into pH-responsive polymer microspheres and a subsequent heat treatment step. After heat treatment at an arbitrary temperature, the ionizable functional groups remaining on the surface of C-doped ZnO submicron spheres resulted in improved dispersion stability of the spheres in the fluid colloidal system. Using the photocatalytic activity test, the relationship between dispersion stability and the photocatalytic property of the C-doped ZnO submicron spheres was investigated. As a result, the content of carbon atoms and the surface functional groups depended on the pH of the reaction medium.