전기방사 TiO2 나노섬유에서 Cu 도핑 위치 및 후처리에 따른 광촉매 성능 향상 연구
Photocatalytic Performance of Electrospun TiO2 Nanofibers via Cu Doping Site and Post-Treatment
- 주제(키워드) 도움말 이산화티타늄 , 나노섬유 , 구리 도핑 , 광촉매 , 이온교환 , 전자빔 조사 , 산 처리
- 발행기관 강원대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 최원열
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 6
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 신소재공학과（강릉）
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012465
- UCI I804:42001-000000012465
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
이산화티타늄（TiO2）은 우수한 화학적 안정성과 산화력을 바탕으로 널리 연구되는 광촉매 물질이지만, 넓은 밴드갭과 광여기 전하의 빠른 재결합으로 인해 실제 응용에 한계가 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 전이금속 Cu를 두 가지 방식을 이용하여 도핑하고 후처리 공정을 결합하여 TiO2 나노섬유의 광촉매 성능을 향상시키고자 하였다. 첫 번째 연구에서는 전기방사 공정 및 열처리를 통해 TiO2 나노섬유를 제조하였으며, sol-gel 전구체 용액 제조 단계에서 Cu 전구체의 함량을 제어하여 다양한 구리 함량의 Cu-doped TiO2 나노섬유를 합성하고 광촉매 특성을 비교하였다. FE-SEM 이미지와 EDS 분석을 통해 TiO2 나노섬유의 미세구조와 Cu의 성공적인 도핑을 확인하였으며, XRD와 라만분광을 통해 결정구조를 분석하였다. 제조된 광촉매의 성능은 UV 조사하에 methylene blue（MB） 수용액의 광분해 실험을 통해 평가하였다. Cu/Ti 몰비 0.05%의 나노섬유에서 6시간 후 86.87%의 분해율을 나타내어 가장 우수한 광촉매 활성을 보였으며, 이는 순수 TiO2 나노섬유 대비 약 10.39% 향상된 결과이다. 반면, 과도한 Cu 도핑 농도에서는 순수 TiO2 나노섬유보다 저하된 광촉매 특성이 나타났으며, 이를 통해 최적의 도핑 농도가 존재함을 확인하였다. 가장 높은 광분해 효율을 나타낸 시료에 흡수선량을 달리하여 고에너지 전자빔을 조사한 결과, 흡수선량이 증가할수록 광분해 효율이 향상되었으며, 전자빔을 조사하지 않은 시료 대비 광분해 반응속도 상수（k）가 최대 1.59배 향상된 결과를 나타냈다. 두 번째 연구에서는 전기방사 및 열처리를 통해 제조된 TiO2 나노섬유에 이온교환법을 적용하여 Cu를 도핑하고, 이후 산처리를 수행하여 표면 특성 및 화학적 구조를 제어하였다. FE-SEM 이미지와 EDS, XRD 패턴 분석을 통해 TiO2 나노섬유의 미세구조를 확인하고 Cu의 성공적인 도핑과 결정구조를 확인하였다. 광촉매 성능은 UV 조사하에 메틸렌 블루（MB） 수용액의 광분해 실험을 통해 평가하였다. 초기 Cu 도핑 시 순수 TiO2 나노섬유 대비 광촉매 활성이 현저히 저하되었으나, 이후 산 처리를 통해 과잉 Cu 종이 제거되고 순수 TiO2 대비 광분해 반응속도가 1.36배 향상되는 결과를 나타냈다. XPS와 TR-PL 분석 결과, 구리도핑 및 산 처리가 TiO2 나노섬유의 전하 분리를 촉진하고 전하 수명을 연장시키는 데 기여함을 확인하였다.
more목차 도움말
Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 문헌 연구 5
1. Photocatalyst 5
2. Electrospinning 8
3. Doping methods 11
4. Post-Treatment 14
Ⅲ. 실험 방법 15
1. Fabricated nanofibers 15
1) Cu 함량이 제어된 Cu-doped TiO2 15
(1) Bare TiO2 및 Cu-Doped TiO2 Nanofibers 합성 15
(2) E-Beam Treatment Test 17
2) 이온교환 및 산 처리를 통한 Cu-doped TiO2 18
(1) TiO2 Nanofibers 합성 18
(2) Cu-doped TiO2 Nanofibers 합성 18
(3) Acid-Treatment 18
2. Characterization 20
1) FE-SEM analysis 20
2) XRD analysis 20
3) Raman spectroscopy analysis 20
4) UV-visible spectrophotometer 21
5) XPS analysis 21
6) TR-PL analysis 21
3. Photocatalytic degradation test 22
1) Cu 함량이 제어된 Cu-doped TiO2 22
2) 이온교환 및 산 처리를 통한 Cu-doped TiO2 23
Ⅳ. 실험 결과 및 논의 24
1. Cu 함량이 제어된 TiO2 나노섬유 24
1) FE-SEM 24
2) XRD 29
3) Raman spectroscopy 31
4) Photocatalytic degradation test 32
2. 전자빔이 조사된 Cu-doped TiO2 나노섬유 36
1) Raman spectroscopy 36
2) Photocatalytic degradation test 37
3) XPS 39
3. 이온교환 및 산 처리를 통한 Cu-doped TiO2 나노섬유 41
1) FE-SEM 41
2) XRD 43
3) Photocatalytic degradation test 44
4) XPS 47
5) TR-PL 51
Ⅴ. 결론 54
참고문헌 56
ABSTRACT 65
