[학위논문]Anatase와 Rutile 결정상 비율에 따른 TiO₂nanotube plate의 광촉매 활성 비교 연구 Comparison of photocatalytic activity of TiO2 nanotube plate depending on crystallographic ratio of anatase and rutile원문보기
오늘 날 활발한 산업 활동으로 인한 오염 물질 처리가 한계에 부딪혔으며, 오염 물질을 보다 효율적으로 처리하는 방안이 시급한 실정이다. 산업 활동으로 인해 오염된 물 정화 작업은 물리적, 화학적, 생물학적 처리 방법으로 처리되어왔다. 하지만 이러한 방법들은 각각 슬러지 발생량이 많거나, 추가적인 화학 약품이 필요하거나, 운전 조건이 까다롭다는 단점을 가지고 있어 더 효율적인 수처리 방안이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 고도산화처리기술 (Advanced Oxidation Process) 중 하나인 UV/TiO2를 이용하였으며, TiO2는 ...
오늘 날 활발한 산업 활동으로 인한 오염 물질 처리가 한계에 부딪혔으며, 오염 물질을 보다 효율적으로 처리하는 방안이 시급한 실정이다. 산업 활동으로 인해 오염된 물 정화 작업은 물리적, 화학적, 생물학적 처리 방법으로 처리되어왔다. 하지만 이러한 방법들은 각각 슬러지 발생량이 많거나, 추가적인 화학 약품이 필요하거나, 운전 조건이 까다롭다는 단점을 가지고 있어 더 효율적인 수처리 방안이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 고도산화처리기술 (Advanced Oxidation Process) 중 하나인 UV/TiO2를 이용하였으며, TiO2는 양극산화법을 이용하여 plate 형태의 TiO2 nanotube를 제작하였다. TiO2는 anatase, rutile, brookite의 3가지 결정상을 가진다. Brookite 결정상을 얻기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하며 불안정기 때문에 광촉매 결정상으로는 주로 anatase와 rutile이 사용된다. Anatase 결정상의 TiO2 광촉매는 388 nm의 자외선 영역 이하의 파장대에서 활성을 나타내며, rutile 결정상을 가진 TiO2 광촉매가 415 nm의 가시광선 이하의 파장대에서 활성을 나타낸다. 단결정상으로는 anatase 결정상을 가진 TiO2 광촉매가 rutile 결정상을 가진 TiO2보다 높은 광활적 활성을 가진다. 하지만 anatase 결정상의 TiO2는 band gap energy가 3.2 eV로 부도체의 band gap energy인 3.5 ~ 4.0 eV에 가깝다. 그래서 두 결정상을 결합함으로서 band gap energy를 낮추어 광촉매를 제작하고자 하였다. Anatase와 rutile 결정상을 혼합하면 전자 정공 분리를 향상시키고 전자 정공의 재결합은 억제해 광촉매 효율을 높일 수 있다는 연구가 있다. 광촉매는 band gap energy 이상의 에너지를 가진 빛을 조사해 주면, 가전자대 (valence band)에 있는 전자가 전도대 (conduction band)로 여기 되어 전자와 정공이 형성된다. 형성된 전자와 정공은 각각 표면으로 이동하여 물 분자와 산소분자와 결합하여 OH radical을 생성한다. OH radical은 산화제로 흔히 이용되는 염소와 오존보다 높은 산화 전위를 갖고 있어 탁월한 산화력을 가지는 물질이다. 본 실험에서는 양극산화법 (anodization)으로 제작된 TiO2 nanotube plate를 400 ~ 900 ℃ 로 100 ℃ 차이를 두어 온도별로 열처리하여 결정상 비율에 따른 광촉매 활성을 평가하고자 진행하였다. 온도별로 열처리하였을 때, 700 ℃ 부터 rutile 결정상과 anatase 결정상이 혼재하여 관찰되었다. 400 ~ 600 ℃에서 열처리된 TiO2는 anatase 결정상만 관찰 되었으며, 700 ℃에서 열처리된 TiO2는 18.4% rutile (81.6% anatase), 800 ℃에서 열처리된 TiO2는 36.6% rutile (63.4% anatase), 900 ℃에서 열처리된 TiO2는 98.6% rutile (1.4% anatase)의 결정상을 관찰할 수 있었다. UVC lamp (254 nm), UVB lamp (306 nm), UVA lamp (360 nm)로 여러 파장의 UV lamp를 이용하여 파장별로 결정상 비율에 따른 광촉매 활성을 비교하고자 하였다. OH radical 생성량은 probe compound인 pCBA 농도 감소율 실험을 진행하였다. 그 결과 18.4% rutile (81.6% anatase) TiO2가 OH radical 생성량이 가장 많았으며, rutile의 비율이 높을수록 흡광도 파장대가 가시광선 파장대에 가깝게 이동함을 확인할 수 있었다.
오늘 날 활발한 산업 활동으로 인한 오염 물질 처리가 한계에 부딪혔으며, 오염 물질을 보다 효율적으로 처리하는 방안이 시급한 실정이다. 산업 활동으로 인해 오염된 물 정화 작업은 물리적, 화학적, 생물학적 처리 방법으로 처리되어왔다. 하지만 이러한 방법들은 각각 슬러지 발생량이 많거나, 추가적인 화학 약품이 필요하거나, 운전 조건이 까다롭다는 단점을 가지고 있어 더 효율적인 수처리 방안이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 고도산화처리기술 (Advanced Oxidation Process) 중 하나인 UV/TiO2를 이용하였으며, TiO2는 양극산화법을 이용하여 plate 형태의 TiO2 nanotube를 제작하였다. TiO2는 anatase, rutile, brookite의 3가지 결정상을 가진다. Brookite 결정상을 얻기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하며 불안정기 때문에 광촉매 결정상으로는 주로 anatase와 rutile이 사용된다. Anatase 결정상의 TiO2 광촉매는 388 nm의 자외선 영역 이하의 파장대에서 활성을 나타내며, rutile 결정상을 가진 TiO2 광촉매가 415 nm의 가시광선 이하의 파장대에서 활성을 나타낸다. 단결정상으로는 anatase 결정상을 가진 TiO2 광촉매가 rutile 결정상을 가진 TiO2보다 높은 광활적 활성을 가진다. 하지만 anatase 결정상의 TiO2는 band gap energy가 3.2 eV로 부도체의 band gap energy인 3.5 ~ 4.0 eV에 가깝다. 그래서 두 결정상을 결합함으로서 band gap energy를 낮추어 광촉매를 제작하고자 하였다. Anatase와 rutile 결정상을 혼합하면 전자 정공 분리를 향상시키고 전자 정공의 재결합은 억제해 광촉매 효율을 높일 수 있다는 연구가 있다. 광촉매는 band gap energy 이상의 에너지를 가진 빛을 조사해 주면, 가전자대 (valence band)에 있는 전자가 전도대 (conduction band)로 여기 되어 전자와 정공이 형성된다. 형성된 전자와 정공은 각각 표면으로 이동하여 물 분자와 산소분자와 결합하여 OH radical을 생성한다. OH radical은 산화제로 흔히 이용되는 염소와 오존보다 높은 산화 전위를 갖고 있어 탁월한 산화력을 가지는 물질이다. 본 실험에서는 양극산화법 (anodization)으로 제작된 TiO2 nanotube plate를 400 ~ 900 ℃ 로 100 ℃ 차이를 두어 온도별로 열처리하여 결정상 비율에 따른 광촉매 활성을 평가하고자 진행하였다. 온도별로 열처리하였을 때, 700 ℃ 부터 rutile 결정상과 anatase 결정상이 혼재하여 관찰되었다. 400 ~ 600 ℃에서 열처리된 TiO2는 anatase 결정상만 관찰 되었으며, 700 ℃에서 열처리된 TiO2는 18.4% rutile (81.6% anatase), 800 ℃에서 열처리된 TiO2는 36.6% rutile (63.4% anatase), 900 ℃에서 열처리된 TiO2는 98.6% rutile (1.4% anatase)의 결정상을 관찰할 수 있었다. UVC lamp (254 nm), UVB lamp (306 nm), UVA lamp (360 nm)로 여러 파장의 UV lamp를 이용하여 파장별로 결정상 비율에 따른 광촉매 활성을 비교하고자 하였다. OH radical 생성량은 probe compound인 pCBA 농도 감소율 실험을 진행하였다. 그 결과 18.4% rutile (81.6% anatase) TiO2가 OH radical 생성량이 가장 많았으며, rutile의 비율이 높을수록 흡광도 파장대가 가시광선 파장대에 가깝게 이동함을 확인할 수 있었다.
Today, contaminant treatment has reached its limit due to active industrial activities, and there is an urgent need to deal with contaminants more efficiently. In this study, UV/TiO2, one of the advanced oxidation processes, was used. During the photocatalytic reaction, OH radicals are generated and...
Today, contaminant treatment has reached its limit due to active industrial activities, and there is an urgent need to deal with contaminants more efficiently. In this study, UV/TiO2, one of the advanced oxidation processes, was used. During the photocatalytic reaction, OH radicals are generated and they have an excellent oxidation capability for wastewater treatment. This study was carried out to improve the photocatalytic reaction of TiO2 photocatalyst. TiO2 nanotubes were grown on a titanium plate by anodization. The annealing temperature for TiO2 nanotube was varied from 400 to 900℃ and the crystal forms of the TiO2 nanotube was analyzed. When heat-treated at different temperatures, a mixture of rutile and anatase crystal phases were observed from 700 ℃. Depending on annealing temperature, TiO2 nanotubes have shown different crystal forms; 0% rutile (100% anatase), 18.4% rutile (81.6% anatase), 36.6% rutile (63.4% anatase) and 98.6% rutile (1.4% anatase). As the ratio of rutile crystal structure increased, the absorbance wavelength moved to the visible wavelength. To compare the photocatalytic activity according to the crystal structure ratio by monitored the concentration of OH radical probe compound (p-Chlorobenzoic acid). UV lamps of various wavelengths were used UVC lamp (254 nm), UVB lamp (306 nm) and UVA lamp (360 nm). As a result, 18.4% rutile (81.6% anatase)-TiO2 was produced more OH radicals than 100% anatase-TiO2.
Today, contaminant treatment has reached its limit due to active industrial activities, and there is an urgent need to deal with contaminants more efficiently. In this study, UV/TiO2, one of the advanced oxidation processes, was used. During the photocatalytic reaction, OH radicals are generated and they have an excellent oxidation capability for wastewater treatment. This study was carried out to improve the photocatalytic reaction of TiO2 photocatalyst. TiO2 nanotubes were grown on a titanium plate by anodization. The annealing temperature for TiO2 nanotube was varied from 400 to 900℃ and the crystal forms of the TiO2 nanotube was analyzed. When heat-treated at different temperatures, a mixture of rutile and anatase crystal phases were observed from 700 ℃. Depending on annealing temperature, TiO2 nanotubes have shown different crystal forms; 0% rutile (100% anatase), 18.4% rutile (81.6% anatase), 36.6% rutile (63.4% anatase) and 98.6% rutile (1.4% anatase). As the ratio of rutile crystal structure increased, the absorbance wavelength moved to the visible wavelength. To compare the photocatalytic activity according to the crystal structure ratio by monitored the concentration of OH radical probe compound (p-Chlorobenzoic acid). UV lamps of various wavelengths were used UVC lamp (254 nm), UVB lamp (306 nm) and UVA lamp (360 nm). As a result, 18.4% rutile (81.6% anatase)-TiO2 was produced more OH radicals than 100% anatase-TiO2.
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