[논문]티타니아 나노튜브(TNT)의 제조 및 응용

정지훈; 홍성창

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문제 정의

기존 티타니아의 한계를 극복하기 위해 도입된 티타니아 나노튜브의 제조와 응용분야에 대하여 간단히 살펴보았다. 티타니아 나노튜브는 높은 전자확산도를 가지고 있어서 기존 티타니아에 비해 탁월한 반응성을 나타내며 이러한 특성을 이용하여 앞에서 살펴본 광촉매, 수소제조, 염료감응 태양전지뿐만 아니라 각종 센서, 연료전지 등으로 그 영역을 넓혀 가고 있다.
따라서 티타니아 나노튜브는 일반 티타니아 분말이나 박막에 비해 높은 전자확산도를 가지게 되며 이를 혹자는 전자 고속도로(electron highway)라고 부르기도 한다. 본 글에서는 티타니아 나노튜브 박막을 제조하는 양극산화법과 티타니아 분말을 제조 하는 수열합성법, 그리고 티타니아 나노튜브의 대표적인 응용분야인 광촉매, 수소제조, 염료감응 태양전지 등에 대하여 살펴보았다.
본 연구실에서는 TNT 박막에 자외선을 조사하여 각각 PC와 PEC 조건에서 수소생성에 대한 연구를 진행하였다. Fig.
Ito 등은 양극산화를 이용하여 티타늄 plate 표면에 TiO₂ 박막을 형성시키고 CH3CHO 분해에 적용한 결과, 반응 5시간에 초기 농도의 50%의 제거율을 나타낸다고 보고하였다^5,6). 본 연구실에서는 광촉매 반응에 적용하기 위한 티타니아 박막을 다양한 조건에서 제조하였다. 이때 0.
양극산화를 이용한 티타니아 나노튜브(TNT) 박막 제조기술은 일반 티타니아 박막 제조 기술에서 유래되었으며 따라서 양극산화를 이용한 티타니아 박막제조에 대하여 먼저 살펴보기로 하자. 티타늄(Ti) 금속 표면을 양극에서 전기적으로 산화시켜 TiO₂를 형성시키는 기술은 표면처리를 위해 개발되었다.

제안 방법

10과 같이 빛을 비추는 방향에 따른 태양전지 효율을 평가하였다³⁰⁾. 또한 얇은 티타늄 막을 FTO glass 위에 열과 Sn foil을 이용하여 부착 시킨 뒤 양극산화하여 TNT를 성장시켜 태양전지에 적용하였다³¹⁾.
6(a)에 나타낸SEM 분석 결과 튜브의 직경이 약 20-25nm 인 티타니아 나노튜브가 관찰되었고 XRD 분석으로부터 anatase의 결정이 관찰되었다. 또한 일반적인 수열합성법 이외에 양극산화에 의해 제조된 티타니아 나노튜브 박막을 초음파 처리하여 나노튜브 박막을 티타늄 표면으로부터 분리해내었다. Fig.
본 연구실에서는 TiO₂ 박막과 TNT 박막을 광촉매로 사용하여 기상의 아세트알데하이드와 Methylene blue용액을 분해하는 연구를 수행하였다^25,26). Fig.
1M HCl로TNT 분말을 씻어NaOH를 제거한다. 용매를 여과한 후 건조시켜TNT 분말을 얻었으며, 결정을 성장시키기 위해 420℃에서 3시간 동안 열처리 과정를 거쳤다. Fig.

대상 데이터

본 실험실에서는 수백㎚에서 수십㎛의 길이를 갖는 TNT를 제조하였다. 양극으로는 티타늄 foil (Aldrich, purity>99.
양극으로는 티타늄 foil (Aldrich, purity>99.7%)을 사용하였고, 음극으로는 백금을 사용하였으며, 전해질로는 HF, NaF, NH4F 등을 사용하였다13-16).

성능/효과

Fig. 9(a)에 나타낸 반응기를 이용하여 양극산화를통해 제조된 TNT 박막을 백금(Pt)과 함께 0.1M KOH의 전해질에 장착한 후 UV를 조사한 결과 수소가 생성됨을 확인할 수 있었다. 대조 실험으로 이전 연구에서 제조한 TiO₂ 박막과 비교 실험을 한 결과 TNT 박막이 더 많은 수소를 발생시키는 것을 확인하였다.
1M KOH의 전해질에 장착한 후 UV를 조사한 결과 수소가 생성됨을 확인할 수 있었다. 대조 실험으로 이전 연구에서 제조한 TiO₂ 박막과 비교 실험을 한 결과 TNT 박막이 더 많은 수소를 발생시키는 것을 확인하였다. 또한 Fig.
본 연구실에서는 광촉매 반응에 적용하기 위한 티타니아 박막을 다양한 조건에서 제조하였다. 이때 0.25M H₂SO₄, 110mA/cm²의 전류밀도, 180V의 전압하에서 최적의 TiO₂ 박막을 얻을 수 있었으며, 이를 수처리 시스템과 대기 정화 시스템에 적용하여 촉매활성을 나타냄을 확인하였다. 제조된 티타니아 박막의 SEM 사진과 XRD 분석결과를 Fig.
7%)을 사용하였고, 음극으로는 백금을 사용하였으며, 전해질로는 HF, NaF, NH₄F 등을 사용하였다^13-16). 제조된 TNT의 XRD 분석 결과 Fig. 3 에 나타낸 바와같이 anatase 결정이 생성되었음을 확인할 수 있었으며, SEM 분석결과 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 제조조건에 따라 다양한 길이와 형태를 가진 나노튜브가 생성됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구실에서는 다양한 조건에서 제조된 티타니아 나노튜브 분말와 나노튜브에 금속 분말를 복합화 시킨 분말을 염료감응 태양전지에 적용하여, 기존 티타니아 분말과 비교 하여 그 특성을 확인하는 연구를 진행 중에 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전자 고속도로란?

나노튜브는 티타니아 표면이 빛을 받아 생성된 광전자 혹은 외부로부터 전달된 전자를 튜브를 통해 신속하게 전달시켜 전자와 정공의 재결합을 억제하고 티타니아의 반응효율을 극대화시키기 때문이다. 따라서 티타니아 나노튜브는 일반 티타니아 분말이나 박막에 비해 높은 전자확산도를 가지게 되며 이를 혹자는 전자 고속도로(electron highway)라고 부르기도 한다. 본 글에서는 티타니아 나노튜브 박막을 제조하는 양극산화법과 티타니아 분말을 제조 하는 수열합성법, 그리고 티타니아 나노튜브의 대표적인 응용분야인 광촉매, 수소제조, 염료감응 태양전지 등에 대하여 살펴보았다.

티타니아 박막과 티타니아 분말의 반응성을 극대화 하기위한 방법으로 티타니아나노튜브 박막과 나노튜브 분말이 대안으로 제시되는 이유는?

최근에 티타니아 박막과 티타니아 분말의 반응성을 극대화 하기위한 방법으로 티타니아나노튜브(TNT) 박막과 나노튜브 분말이 그 대안으로 제시되고 있다. 나노튜브는 티타니아 표면이 빛을 받아 생성된 광전자 혹은 외부로부터 전달된 전자를 튜브를 통해 신속하게 전달시켜 전자와 정공의 재결합을 억제하고 티타니아의 반응효율을 극대화시키기 때문이다. 따라서 티타니아 나노튜브는 일반 티타니아 분말이나 박막에 비해 높은 전자확산도를 가지게 되며 이를 혹자는 전자 고속도로(electron highway)라고 부르기도 한다.

티타니아의 장점은?

티타니아(TiO2)는 광촉매 반응 등에 많이 사용되는 물질로 1970년대 Fujishima와 Honda가 물의 광분해 반응 연구를 발표한 이후 관심의 대상이 된 물질이다1). 티타니아는 온도의 영향을 받지 않고 조작이 쉬우며 가격이 저렴함과 동시에 인체에 무해하기 때문에 광촉매 뿐 아니라, 염료감응 태양전지, 수소제조, 각종센서, 자정(selfcleaning), 초친수(superhydrophilicity), 살균, 탈취 등에 널리 적용되고 있다2).

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