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수소 생산을 위한 가시광선 감응 질소 도핑 $TiO_2$$Nb_2O_5$ 광촉매의 개발
Development of Visible Light Responsive Nitrogen Doped Photocatalysts ($TiO_2$, $Nb_2O_5$) for hydrogen Evolution 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.33 no.12, 2011년, pp.907 - 912  

최미진 (광주과학기술원 환경공학부) ,  채규정 (코오롱건설(주) 기술연구소) ,  유혜원 (광주과학기술원 환경공학부) ,  김경열 (광주과학기술원 환경공학부) ,  장암 (성균관대학교 사회환경시스템공학과) ,  김인수 (광주과학기술원 환경공학부)

초록
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물의 광분해에 의한 수소생산을 위하여 이산화티타늄($TiO_2$)과 산화니오븀($Nb_2O_5$)을 이용하여 가시광선 감응 광촉매 개발을 본 연구의 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 요소를 이용한 질소 도핑한 $TiO_2$, $Nb_2O_5$, $HNb_3O_8$ ($TiO_2-N$, $Nb_2O_5-N$$HNb_3O_8-N$)을 제조하였다. 그 결과 질소 도핑이 광촉매의 띠간격 에너지를 감소시킴으로써 excitation파장이 자외선 영역에서 가시광선 영역으로 이동한 것을 reflectance 관찰을 통해 알 수 있었다. 특히 $TiO_2-N$의 경우 띠 간격 에너지가 3.3 eV ($TiO_2$)에서 2.72 eV로 가장 큰 감소를 보였다. 또한, 가시광선 영역에서 로다민 B 광분해 반응을 통하여 광촉매의 활성도를 평가하였을 때, 질소 도핑한 경우($Nb_2O_5-N$$HNb_3O_8-N$)는 모두 80% 이상의 분해 효율을 나타내었으며 특히 $TiO_2-N$이 약 99.8%의 높은 분해율을 보여주었다. 그러나 질소 도핑을 하지 않은 $TiO_2$$Nb_2O_5$의 경우, 약 10% 의 로다민 B가 분해된 것으로 관찰되었다. 또한 가시광선 영역에서 각 촉매의 광전류 생성을 비교해보았을 때, $HNb_3O_8-N$ ($63.7mA/cm^2$)이 가장 높은 전류 반응을 나타내었으며 물의 광분해에 의한 수소생산량을 비교해보면 $Nb_2O_5-N$$19.4{\mu}mol/h$의 가장 많은 양을 생산한 것으로 나타났다.

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Development of visible light responsive photocatalysts is a promising research area to facilitate utilization of solar energy for hydrogen production via photocatalytic water splitting. In this study two groups of samples, nitrogen (N)-doped niobium pentoxide ($Nb_2O_5$) and titanium diox...

주제어

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문제 정의

  • 7) 본 연구에서는 각 물질의 전기화학적 특성분석과 함께 물의 광분해에 따른 수소 발생량을 비교하기 위하여 가시광선 영역에서의 광전류 생성을 potentiostat를 이용하여 측정하였다. 그 결과 질소 도핑 물질의 경우 Fig.
  • 본 연구에서는 질소 도핑에 의한 가시광선 감응 가능한 광촉매(TiO2 와 Nb2O5) 개발을 위한 실험을 하였다. 요소를 이용한 질소 도핑은 각 촉매의 띠간격을 줄여 가시광선 영역에서 활성을 가지는데 고무적인 것으로 나타났다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소에너지의 장점은 무엇인가? 환경오염과 함께 지하자원 고갈에 따른 새로운 에너지에 대한 필요성은 범국가적인 문제로 대두되고 있다. 특히 수소에너지의 중요성은 연소 후에도 오염물질을 생산하지 않는다는 장점으로 인해 대량 생산을 위한 연구가 증가하고 있다. 수소 에너지 생산 방법에는 전기분해법이나 수증기개질법 등이 상용화되었으나 고가의 생산방법일 뿐만 아니라 에너지 의존적인 방법이기 때문에 보급화에 제한이 따른다.
상용화된 수소 에너지 생산 방법에는 무엇이 있는가? 특히 수소에너지의 중요성은 연소 후에도 오염물질을 생산하지 않는다는 장점으로 인해 대량 생산을 위한 연구가 증가하고 있다. 수소 에너지 생산 방법에는 전기분해법이나 수증기개질법 등이 상용화되었으나 고가의 생산방법일 뿐만 아니라 에너지 의존적인 방법이기 때문에 보급화에 제한이 따른다.1) 또 다른 수소생산 방안의 하나로써 생물학적인 방법이 있는데 그 중 bioelectrochemical cell (BEC)을 이용한 방법이 최근 소개되었으나 이 역시 외부전압인가(이론적으로 약 140 mV)가 필연적으로 요구되는 상황이다.
광촉매 중 이산화티타늄의 장점은 무엇인가? 다양한 광촉매 중 이산화티타늄(TiO2)이 가장 대표적이라고 할 수 있다. 특히, 이산화티타늄은 안정성(stable)과 무독성(non-corrosive), 높은 광활성(strong catalytic activity) 등의 장점으로 널리 이용되고 있는 자외선 감응 광촉매이다.7) 또한 산화니오븀(Nb2O5)의 강력한 촉매 기능으로 TiO2와 함께 각광받고 있는 물질 중 하나이다.
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참고문헌 (23)

  1. Joan, M. O., "Hydrogen: The Fuel of the Future?" Physics Today, 55(4), 69-75(2002). 

  2. Chae, K. J., Choi, M. J., Lee, J., Ajayi, F. F. and Kim, I. S., "Biohydrogen production via biocatalyzed electrolysis in acetate-fed bioelectrochemical cells and microbial community analysis," Int. J. Hydrogen Energy, 33(19), 5184-5192(2008). 

  3. Seger, B. and Kamat, P. V., "Fuel Cell Geared in Reverse: Photocatalytic Hydrogen Production Using a $TiO_{2}$ /Nafion/Pt Membrane Assembly with No Applied Bias," J. Phys. Chem. C, 113(43), 18946-18952(2009). 

  4. Bae, S., Kang, J., Shim, E., Yoon, J. and Joo, H., "Correlation of electrical and physical properties of photoanode with hydrogen evolution in enzymatic photo-electrochemical cell," J. Power Sources, 179(2), 863-869(2008). 

  5. Chae, K. J., Choi, M. J., Kim, K. Y., Ajayi, F. F., Chang, I. S. and Kim, I. S., "A solar-powered microbial electrolysis cell with a platinum catalyst-free cathode to produce hydrogen," Environ. Sci. Technol., 43(24), 9525-9530(2009). 

  6. Dholam, R., Patel, N., Adami, M. and Miotello, A., "Hydrogen production by photocatalytic water-splitting using Cror Fe-doped $TiO_{2}$ composite thin films photocatalyst," Int. J. Hydrogen Energy, 34(13), 5337-5346(2009). 

  7. Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C. and Sumathy, K., "A review and recent developments in photocatalytic watersplitting using $TiO_{2}$ for hydrogen production," Renew. Sustain. Energ. Rev., 11(3), 401-425(2007). 

  8. Park, H. and Choi, W., "Visible-light-sensitized production of hydrogen using perfluorosulfonate polymer-coated $TiO_{2}$ nanoparticles: An alternative approach to sensitizer anchoring," Langmuir, 22(6), 2906-2911(2006). 

  9. Barkhordarian, G., Klassen, T. and Bormann, R. i., "Fast hydrogen sorption kinetics of nanocrystalline Mg using $Nb_{2}O_{5}$ as catalyst," Scripta Mater., 49(3), 213-217(2003). 

  10. Cui, H., Dwight, K., Soled, S. and Wold, A., "Surface Acidity and Photocatalytic Activity of $Nb_{2}O_{5}/TiO_{2}$ Photocatalysts" J. Solid State Chem., 115(1), 187-191(1995). 

  11. Xing, J., Shan, Z., Li, K., Bian, J., Lin, X., Wang, W. and Huang, F., "Photocatalytic activity of $Nb_{2}O_{5}$ /SrNb2O6 heterojunction on the degradation of methyl orange," J. Phys. Chem. Solids, 69(1), 23-28(2008). 

  12. Romero, R., Ramos-Barrado, J. R., Martin, F. and Leinen, D., " $Nb_{2}O_{5}$ thin films obtained by chemical spray pyrolysis," Surf. Interface Anal., 36(8), 888-891(2004). 

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  14. Wang, H., Xu, P. and Wang, T., "Doping of $Nb_{2}O_{5}$ in photocatalytic nanocrystalline/nanoporous WO3 films," Thin Solid Films, 388(1-2), 68-72(2001). 

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  16. Li, X., Kikugawa, N. and Ye, J., "Nitrogen-doped lamellar niobic acid with visible light-responsive photocatalytic activity," Adv. Mater., 20(20), 3816-3819(2008). 

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  19. Asahi, R., Morikawa, T., Ohwaki, T., Aoki, K. and Taga, Y., "Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides," Science, 293(5528), 269-271(2001). 

  20. 이종호, 허강헌, 이정수, "슬러리 분무열분해에 의한 초미립 티탄산 바륨 분말 제조," 한국세라믹학회지, 46(2), 137-145 (2009). 

  21. Guo, X., Hou, W., Ding, W., Fan, Y., Yan, Q. and Chen, Y., "Synthesis of a novel super-microporous layered material and its catalytic application in the vapor-phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime," Microporous Mater., 80 (1-3), 269-274(2005). 

  22. Hao, H. and Zhang, J., "The study of Iron (III) and nitrogen co-doped mesoporous $TiO_{2}$ photocatalysts: synthesis, characterization and activity," Microporous Mater., 121(1-3), 52-57(2009). 

  23. Qu, P., Zhao, J., Shen, T. and Hidaka, H., " $TiO_{2}$ -assisted photodegradation of dyes: A study of two competitive primary processes in the degradation of RB in an aqueous $TiO_{2}$ colloidal solution," J. Mol. Catal. A: Chem., 129(2-3), 257-268 (1998). 

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