새로운 형태의 Sn3O4 다형체 탐색: 합성 및 분석

충전 정도 및 가스 조성과 같은 반응 조건을 조정하면 열수 합성으로 얻은 생성물에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 열수 반응기 내부 조건을 최적화하여 기존의 단사정계 상 대신에 보고되지 않은 Sn3O4의 사방정계 다형체를 합성한 새로운 Tokyo Tech 연구에서 명확하게 나타났습니다. 사방정계 Sn3O4는 기존의 것보다 밴드갭이 좁아 가시광선 활성 광촉매로 유용하다.

주석 산화물(SnxOy)은 다재다능한 특성으로 인해 많은 현대 기술에서 발견됩니다. 주석의 다가 산화 상태(Sn2+ 및 Sn4+)는 주석 산화물에 전기 전도성, 광촉매 및 다양한 기능적 특성을 부여합니다. 산화주석의 광촉매 응용을 위해서는 넓은 범위의 태양 에너지를 활용하기 위해 가시광선 흡수를 위한 좁은 밴드갭이 필수적입니다. 따라서 새로운 SnxOy의 발견은 물 분해 및 CO2 감소와 같은 환경적으로 중요한 많은 광촉매 반응의 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 새로운 안정적인 SnxOy에 대한 많은 이론적 및 계산적 예측이 있지만, 예측을 현실로 바꿀 수 있는 실험적 연구가 여전히 필요합니다.

이를 행동 촉구로 삼아 도쿄 공과 대학, 국방 아카데미 및 미츠비시 재료 회사의 연구원들은 새로운 주석 산화물을 설계했습니다. 최근 Angewandte Chemie International Edition에 발표된 획기적인 연구에서 Mr. Y. Liu et al. 이전에 보고되지 않은 사방정계 결정 구조를 갖는 Sn3O4 다형체의 합성을 유도하는 새로운 최적화된 열수 합성 접근법을 제시했습니다. 이 연구는 Tokyo Institute of Technology Open Innovation Platform의 지원을 받아 Mitsubishi Materials Sustainability Innovation Collaborative Research Cluster에서 수행되었습니다.

프로젝트 리더인 미야우치 교수는 연구의 원동력에 대해 "우리 연구의 목적은 두 가지였습니다. 첫 번째는 새로운 주석 산화물 다형체의 합성이었고 두 번째는 이를 가시광선 민감성 광촉매에 적용하는 것이었습니다. "

연구팀은 Sn3O4를 제조하기 위해 동일한 출발 물질을 사용하여 여러 개의 열수열 반응기를 설치했습니다. 첫 번째 시리즈 1세트에서는 100ml 테프론 라이너를 20, 40, 60, 80% 채워 전구체 용액의 충전 정도를 변경했습니다. 두 번째 시리즈의 경우 충전 정도를 20%로 일정하게 유지했으며 테플론 라이너는 각각 주변 공기, 순수 산소 및 순수 질소로 채워졌습니다.

그런 다음 팀은 형성된 제품에 대해 Rietveld 분석, X선 분광학 및 제1원리 계산을 수행했습니다. 분석 결과, 새로운 Sn3O4 다형체는 Sn(II)2Sn(IV)O4의 화학식을 갖고 있는 것으로 나타났습니다. X선 회절 패턴은 보고된 적이 없으며 경험적 및 계산적 분석을 기반으로 사방정계 결정 상에 할당됩니다. 가스 조성 및 충전 정도 조정에 대한 비교 연구에 따르면 사방정계 다형은 충전 정도가 높거나 도입된 가스가 불활성이고 산소가 적은 경우에만 형성되는 것으로 나타났습니다. 따라서 연구팀은 산소 공급원에 주의를 기울이는 것이 보다 정확한 열수 합성의 열쇠가 될 수 있다고 제안했습니다.

본 연구에서 보고된 새로운 사방정계 Sn3O4 다형체는 기존의 단사정계 Sn3O4보다 밴드갭이 작아 가시광선 흡수 효율이 더 높다는 것을 의미합니다. 또한, 사방정계 다형체의 전도대는 CO2 환원 반응을 유도하기에 충분히 높습니다.

열수법은 재료 합성에 널리 사용되는 방법이다. 이 연구는 열수 합성에서 종종 무시되는 매개변수가 결정 구조에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 수많은 새로운 산화물 물질의 발견에 유익합니다.

참조

1 일본 도쿄공업대학 재료화학기술부 재료공학과