[논문]ZnO/rutile-<tex>$TiO_2$</tex>, ZnO, rutile-<tex>$TiO_2$</tex>, CdS를 이용한 Congo red의 광 촉매 분해반응

김창석; 류해일

초록
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ZnO, CdS, rutile-$TiO_2$ 및 혼합 rutile-$TiO_2$/ZnO와 같은 여러 반도체를 이용하여 Congo Red를 광 촉매 분해시켰다. 연구 결과 ZnO, CdS, rutile-$TiO_2$ 중에서는 CdS의 광 촉매 효과가 제일 컸는데 이것은 CdS가 제일 작은 band gap 에너지를 가지고 있기 때문이었다. 또한 혼합 촉매에서는 ZnO의 함량이 rutile-$TiO_2$에 비하여 상대적으로 높을수록 분해 반응을 촉진하였다. 이것은 $Zn^{2+}$ 가수분해 생성물이 구조적으로 안정한 화합물인 rutile-$TiO_2$의 표면을 덮음으로서 자외선 흡수를 차단하기 때문에 라디칼 생성을 저해하기 때문이었다.

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Photocatalytic degradation of Congo red was performed using various semiconductors as ZnO, CdS, rutile-$TiO_2$ or mixed rutile-$TiO_2$/ZnO. The change of degradation of the dye was investigated by UV-visible spectrophotometric method. The photocatalytic action of CdS was greate...

Photocatalytic degradation of Congo red was performed using various semiconductors as ZnO, CdS, rutile-$TiO_2$ or mixed rutile-$TiO_2$/ZnO. The change of degradation of the dye was investigated by UV-visible spectrophotometric method. The photocatalytic action of CdS was greater than ZnO and rutile-$TiO_2$ in account of low band gap energy of CdS. The rate of photocatalytic degradation reaction increased drastically in according to increasing ratio of ZnO on mixed rutile-$TiO_2$/ZnO. These photocatalytic effect of rutile-$TiO_2$ was suppressed by more stable rutile-$TiO_2$, doping the hydrolysis product with $Zn^{2+}$ prior to calcination onto the rutile-$TiO_2$ surface.

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문제 정의

Bumpus등“ 과 Venkatadri등”은 이 방법을 통하여 많은 유기물 분해 과정을 연구하여 보고하였고, 이 밖에 여러 연구자들^15,18도 광 촉매 분해 반응의 이론적인 근거를 제시하였다 본 연구진도 Mordant yellow-12 염료를 rutile-TiCh 로 광 촉매 분해 시켜 그 과정¹⁹을 조사한바 있다. 이런 사실을 근거로 본 연구에서는 Congo red[구조식 1]를 이용하여 여러 반도체 및 반도체 혼합물의 광 촉매 능력을 조사하려고 한다.

제안 방법

Magnetic stirrer는 미국 Coming사 기기였다. 염료의 분해 정도를 조사하기 위하여 홉광도 변화를 측정하였는데 이때 사용한 기기는 Milton Roy Spectronic 3000 Array 사의 UV-visible spectrophotometer였다.
실험은 VenkatadH의 보고¹⁴와 본 연구진의 rutile- TiCh를 이용하여 Mordant yellow-12-g- 광 촉매 분해반응시킨 결과¹⁹를 근거로 하여 흡광도의 변화를 측정하여 조사하였다. 여기에 Congo red를 rutile-TiOj/ZnO 의 혼합비가 1:1인 경우 염료의 광 촉매 분해 반응 실험 과정을 나타내었다.
002M)을 넣었다. 교반하여 잘 섞고 이 용액 5mL를 취하여 원심분리기에서 15,000rpm으로 5분간 원심 분리한 후 상등액을 UV cell에 넣고 흡광도를 조사하였다. 이 값은 [Dye]。이 된다.
유리관과 conical 비커 사이의 틈은 parafilm으로 막았다. 다음으로 lamp를 켜고 교반 하면서 각 60 분마다 같은 방법으로 흡광도를 조사하였다. 흡광도의 조사는 필요에 따라 300 - 480 분까지 실시하였다.
다음으로 lamp를 켜고 교반 하면서 각 60 분마다 같은 방법으로 흡광도를 조사하였다. 흡광도의 조사는 필요에 따라 300 - 480 분까지 실시하였다. 이 값이 [Dye]<이다.
32g 을 사용하였다. 실험 결과 얻은 흡광도의 변화로부터 염료의 광 촉매 분해 반응 속도를 계산하였다. 이때 사용한 식은 염료에 비하여 반도체의 양을 과량으로 하여 분해 반응-이 유사 일차 반응으로 진행되도록 하였으므로 ln{[Dye]</[Dye]。}=-kt과 같은 전형적인 1차 반응 속도 식을 사용하였다.
같은 방법으로 rutile- TiOj/ZnO의 함량비가 1:2, 1:4, 2:1에서도 실험하였다. 또한 CdS, rutile-TiCh와 ZnO 만을 사용하여서도 흡광도를 조사하였다. 모든 실험은 양적으로 같은 양인 0.

대상 데이터

염료의 광 촉매 분해 반응을 실험하기 위하여 사용한 화합물은 CdS, ZnO 및 rutile-TiCh로서 모두 반도체인 금속 산화물이었다. 여기서 rutile-TiO와 CdS는 순 정화(주), ZnO와 염료인 Congo red는 신요(주)사 제품으로서 그대로 사용하였다.
금속 산화물이었다. 여기서 rutile-TiO와 CdS는 순 정화(주), ZnO와 염료인 Congo red는 신요(주)사 제품으로서 그대로 사용하였다. 용매는 1차 증류수를 사용하였다.
용매는 1차 증류수를 사용하였다. 광원은 대성전기(주)의 Hippo Light 26-W /220V 형광 lamp를 이용하였다. 이 lamp는 시중에서 경제적으로 쉽게 구할 수 있으며 이에 대한 검증은 이미 보고¹⁹한 바 있으므로 여기서는 그대로 사용하였다.

성능/효과

한편 반도체는 가하지 않고 빛만 쪼여준 경우에는 분해가 관찰'3"되지 않는다. 따라서 광 촉매 분해 반응에는 반도체와 광 에너지 모두 필요하다는 것을 알 수 있었다.
즉 ZnO, rutile-TiO₂, CdS 각각의 화합물에 대한 Congo red의 분해는 CdS가 가장 빠른 광 촉매 분해 반응을 보였다. 이것은 CdS가 다른 반도체에 비하여 작은 band gap 에너지(2.
03eV)¹ 때문이다. 한편 rutile-TiO₂/ZnO의 혼합물에서의 광 촉매 분해 반응은 ZnO의 함량이 증가할수록 촉매 효과가 컸다. 이것은 용액 속에 Zn2+ 이온이 들어있는 경우 Zn2+ 가수분해 생성물이 형성되어 rutile-TiS 표면을 덮음으로서 자외선 흡수를 방해하고 이 것이 radical 생성을 억제하기 때문이었다.

후속연구

비례관계가 성립되지는 않았다. 앞으로 양적인 관계가 광 촉매 분해 반응에 어떤 영향을 줄 것인가에 대하여 조사해 최적 조건의 양을 알아 볼 계획이다.

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