유해물질 정화용 고기능성 TiO2 광촉매 복합소재 제조 공정 Studies on the Development of High Functionality TiO2 Photocatalyst Composite Materials for Pollutant Purification.원문보기
TiO2는 n-type 반도체의 일종으로 자외선을 받으면 전자와 정공을 생성하여 강한 환원력, 산화력을 발휘한다. 즉, 강력한 환원력, 산화력에 의해 수중과 공기 중에 존재하는 환경오염물질을 이산화탄소와 물 등으로 분해하여 무해화 한다. 따라서 광촉매의 조건을 고려해 볼 때 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고, 광반응에 의해 생성되는 활성산소(O-2)는 염소(Cl2)나 오존(O3)보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어날 뿐만 아니라, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 TiO2는 가장 대표적인 광촉매 물질로 주목받고 있다.
하지만 TiO2는 단일성분의 물질로서 우수한 광촉매 중 하나임에도 불구하고 wide bandgap semiconductor (3.2 eV for ...
TiO2는 n-type 반도체의 일종으로 자외선을 받으면 전자와 정공을 생성하여 강한 환원력, 산화력을 발휘한다. 즉, 강력한 환원력, 산화력에 의해 수중과 공기 중에 존재하는 환경오염물질을 이산화탄소와 물 등으로 분해하여 무해화 한다. 따라서 광촉매의 조건을 고려해 볼 때 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고, 광반응에 의해 생성되는 활성산소(O-2)는 염소(Cl2)나 오존(O3)보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어날 뿐만 아니라, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 TiO2는 가장 대표적인 광촉매 물질로 주목받고 있다.
하지만 TiO2는 단일성분의 물질로서 우수한 광촉매 중 하나임에도 불구하고 wide bandgap semiconductor (3.2 eV for anatase)로서 UV영역(λ > 390 nm)의 에너지를 흡수하여야만 광촉매 반응이 일어나게 된다. 하지만 태양 조사광이 포함되어 있는 UV-light를 아주 적은 양 밖에 흡수하지 못하고, 또한 건축물의 외장재로서 상용되는 유리는 자외선을 잘 흡수하는 대표적인 물질이기 때문에 실내로 유입되는 태양광 중 자외선의 양은 극히 적어 실내에서의 광촉매 효율은 더욱 낮아 사용에 많은 제한이 따르게 된다. 그렇게 때문에 visible-light에서 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 새로운 재료를 만들 경우, 환경정화물질로서 그 사용 용도는 매우 다양할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 visible-light에서 발광반응을 보이는 재료 중 장잔광(photoluminescence) 특성이 우수한 축광성 형광체 중, CaAl2O4:Eu2+, Nd3+를 제조하고, 이를 sol-gel 법과 ALD (Atomic Layer Deposition) 법을 이용하여 thin layer의 TiO2를 코팅시켜 TiO2 광촉매 복합재료를 제조하여 실내의 가시광선으로 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 새로운 재료를 개발하여 그 특성을 평가하고자 하였다.
Sol-gel 공정에 사용되어지는 TBOT (Tetrabutyl titanate, ((C4H9O)4Ti, ACROS, USA)의 함량은 0.005M ∼ 0.015M로 변화시키어 실험하였고, ALD 공정에서는 반응물질을 TiCl4 (99.999%, Sigma-Aldrich, USA))와 H2O (HPLC Grade, Fisher Sci., USA)로 설정하였으며, purge 가스는 N2를 사용하여 150 rpm의 속도로 회전하는 반응용기에 총 150 cycle을 진행하여 균일한 코팅을 실시하였다. 반응간 온도는 240 ℃ 로 유지하였다. 각각 제조되어진 TiO2 광촉매 복합재료는 X-ray diffraction pattern을 통하여 열처리 온도에 따른 TiO2상의 결정화를 확인하였고, TEM (Tranxmission Electron Microscopy), EDS (Energy DispersionSpectroscopy)를 통하여 올바른 TiO2 thin layer 형성 및 미세구조를 확인하였다. 광분해 반응은 일정 농도의 methylene blue 수용액을 제조하고, 이를 TiO2 형광체 분말과의 혼합 후 조사원과 조사시간에 따른 분해율을 측정하였다. 실험결과 sol-gel을 통하여 제조한 시료에서는 TBOT 0.01M의 첨가시 visible-light에서 가장 좋은 분해율을 나타내었고, ALD 공정을 통하여 제조된 시료도 visible-light에서 상용 TiO2보다 향상된 분해율을 가짐을 확인할 수 있었다.
TiO2는 n-type 반도체의 일종으로 자외선을 받으면 전자와 정공을 생성하여 강한 환원력, 산화력을 발휘한다. 즉, 강력한 환원력, 산화력에 의해 수중과 공기 중에 존재하는 환경오염물질을 이산화탄소와 물 등으로 분해하여 무해화 한다. 따라서 광촉매의 조건을 고려해 볼 때 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고, 광반응에 의해 생성되는 활성산소(O-2)는 염소(Cl2)나 오존(O3)보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어날 뿐만 아니라, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 TiO2는 가장 대표적인 광촉매 물질로 주목받고 있다.
하지만 TiO2는 단일성분의 물질로서 우수한 광촉매 중 하나임에도 불구하고 wide bandgap semiconductor (3.2 eV for anatase)로서 UV영역(λ > 390 nm)의 에너지를 흡수하여야만 광촉매 반응이 일어나게 된다. 하지만 태양 조사광이 포함되어 있는 UV-light를 아주 적은 양 밖에 흡수하지 못하고, 또한 건축물의 외장재로서 상용되는 유리는 자외선을 잘 흡수하는 대표적인 물질이기 때문에 실내로 유입되는 태양광 중 자외선의 양은 극히 적어 실내에서의 광촉매 효율은 더욱 낮아 사용에 많은 제한이 따르게 된다. 그렇게 때문에 visible-light에서 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 새로운 재료를 만들 경우, 환경정화물질로서 그 사용 용도는 매우 다양할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 visible-light에서 발광반응을 보이는 재료 중 장잔광(photoluminescence) 특성이 우수한 축광성 형광체 중, CaAl2O4:Eu2+, Nd3+를 제조하고, 이를 sol-gel 법과 ALD (Atomic Layer Deposition) 법을 이용하여 thin layer의 TiO2를 코팅시켜 TiO2 광촉매 복합재료를 제조하여 실내의 가시광선으로 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 새로운 재료를 개발하여 그 특성을 평가하고자 하였다.
Sol-gel 공정에 사용되어지는 TBOT (Tetrabutyl titanate, ((C4H9O)4Ti, ACROS, USA)의 함량은 0.005M ∼ 0.015M로 변화시키어 실험하였고, ALD 공정에서는 반응물질을 TiCl4 (99.999%, Sigma-Aldrich, USA))와 H2O (HPLC Grade, Fisher Sci., USA)로 설정하였으며, purge 가스는 N2를 사용하여 150 rpm의 속도로 회전하는 반응용기에 총 150 cycle을 진행하여 균일한 코팅을 실시하였다. 반응간 온도는 240 ℃ 로 유지하였다. 각각 제조되어진 TiO2 광촉매 복합재료는 X-ray diffraction pattern을 통하여 열처리 온도에 따른 TiO2상의 결정화를 확인하였고, TEM (Tranxmission Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersion Spectroscopy)를 통하여 올바른 TiO2 thin layer 형성 및 미세구조를 확인하였다. 광분해 반응은 일정 농도의 methylene blue 수용액을 제조하고, 이를 TiO2 형광체 분말과의 혼합 후 조사원과 조사시간에 따른 분해율을 측정하였다. 실험결과 sol-gel을 통하여 제조한 시료에서는 TBOT 0.01M의 첨가시 visible-light에서 가장 좋은 분해율을 나타내었고, ALD 공정을 통하여 제조된 시료도 visible-light에서 상용 TiO2보다 향상된 분해율을 가짐을 확인할 수 있었다.
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