본 연구에서는 보다 효율적인 광 전기화학적 수소제조를 위하여 광촉매로써 산화텅스텐에 티타늄을 함침하여 $Ti/WO_3$나노입자를 제조하였다. 제조한 $Ti/WO_3$의 물리적 특성은 X-선 회절분석법(XRD), 주사전자현미경(SEM), 발광분광계(PL), 원자간력 현미경(AFM), 정전기 현미경(EFM)을 통해 확인하였다. 메탄올/물 (1/1) 광분해 수소제조 실험 결과, 순수 아나타제 티타니아나 산화텅스텐 광촉매보다 $Ti/WO_3$ 광촉매에서 촉매활성이 향상되었으며, 0.5 g의 0.10 mol % $Ti/WO_3$ 촉매를 사용한 경우 8시간 반응 시 3.02 mL의 수소가 발생되었다.
본 연구에서는 보다 효율적인 광 전기화학적 수소제조를 위하여 광촉매로써 산화텅스텐에 티타늄을 함침하여 $Ti/WO_3$ 나노입자를 제조하였다. 제조한 $Ti/WO_3$의 물리적 특성은 X-선 회절분석법(XRD), 주사전자현미경(SEM), 발광분광계(PL), 원자간력 현미경(AFM), 정전기 현미경(EFM)을 통해 확인하였다. 메탄올/물 (1/1) 광분해 수소제조 실험 결과, 순수 아나타제 티타니아나 산화텅스텐 광촉매보다 $Ti/WO_3$ 광촉매에서 촉매활성이 향상되었으며, 0.5 g의 0.10 mol % $Ti/WO_3$ 촉매를 사용한 경우 8시간 반응 시 3.02 mL의 수소가 발생되었다.
For effectively photochemical hydrogen production, Ti ions (0.01, 0.10, 0.50 mol%) impregnated $WO_3$ ($Ti/WO_3$) nanometer sized particles were prepared using a impregnation method as a photocatalyst. The characteristics of the synthesized $Ti/WO_3$ photocatalysts w...
For effectively photochemical hydrogen production, Ti ions (0.01, 0.10, 0.50 mol%) impregnated $WO_3$ ($Ti/WO_3$) nanometer sized particles were prepared using a impregnation method as a photocatalyst. The characteristics of the synthesized $Ti/WO_3$ photocatalysts were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), photoluminescence spectra (PL), atomic force microscope (AFM), and electrostatic force microscope (EFM). The evolution of $H_2$ from methanol/water (1/1) photo-splitting over $Ti/WO_3$ photocatalysts was enhanced compared to those over pure $TiO_2$ and $WO_3$ photocatalysts; 3.02 mL of $H_2$ gas was evolved after 8 h when 0.5 g of a 0.10 mol% $Ti/WO_3$ catalyst was used.
For effectively photochemical hydrogen production, Ti ions (0.01, 0.10, 0.50 mol%) impregnated $WO_3$ ($Ti/WO_3$) nanometer sized particles were prepared using a impregnation method as a photocatalyst. The characteristics of the synthesized $Ti/WO_3$ photocatalysts were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), photoluminescence spectra (PL), atomic force microscope (AFM), and electrostatic force microscope (EFM). The evolution of $H_2$ from methanol/water (1/1) photo-splitting over $Ti/WO_3$ photocatalysts was enhanced compared to those over pure $TiO_2$ and $WO_3$ photocatalysts; 3.02 mL of $H_2$ gas was evolved after 8 h when 0.5 g of a 0.10 mol% $Ti/WO_3$ catalyst was used.
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문제 정의
본 연구에서는 광촉매를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하고자 하였다. 광촉매에 흡수된 광 에너지는 원자가 전자대(valence band)에서 정공(hole)을, 전도대(conduction band)에서는 광전자(photoelectron)를 생성시킨다.
본 연구에서는 물 분해용 광촉매 수소제조 시스템을 이용하여 수소를 제조함에 있어 가장 중점적으로 연구되어야 할 광촉매 소재로써 Ti/WO3 나노 광촉매를 합성하여 최외각 띠에서 전도대로의 전자 이동속도를 향상시켜 광촉매 성능을 장시간 유지시키고자 하였다. 촉매합성은 함침법에 의해 환원분위기에서 티타늄 출발물질을 산화텅스텐에 담지하여 Ti/WO3나노 광촉매를 제조하였고, 물 및 저급 알코올 광분해에 대한 수소제조 성능을 평가하였다.
제안 방법
365 nm 파장의 UV-램프(6 × 3 W/cm2 = 18 W/cm2, 길이 30 cm, 지름 2.0 cm; Shinan) 광을 조사하였고, 1시간 단위로 발생하는 기체를 250 mL 실린지를 이용하여 200 mL를 분취해 열전도도 검출기(thermal conductivity detector, TCD) 기체크로마토그래피(gas chromatography, GC, model DS 6200; Donam Instruments Inc.)에 주입하여 측정하였다.
Figure 2와 같이 연구실에서 직접 제작한 액상 광 반응기를 이용하여 증류수와 메탄올 혼합 용액을 분해하여 수소제조 성능평가를 하였다. 메탄올 500 mL와 증류수 500 mL의 혼합용액 1.
0 mol의 WO3를 첨가한 후 1시간 동안 교반하였다. 그 후 티타늄 출발물질인 티타늄 이소프로프산화물(titanium tetraisopropoxide, Junsei)을 각각 0.01, 0.10, 0.50 mol%로 첨가한 후 환원제로 아스코르브산를 첨가하였다. 혼합용액이 균일하게 섞이도록 하루 동안 더 교반하였다.
나노입자의 결정구조 분석을 위해 X-선 절 분석기(X-ray diffraction, XRD, D/MAX-2500, Rigaku)를 이용하였다. 입자의 크기와 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-4100, Hitachi)으로 관찰하였고, 입자 표면에서의 전기적 특성을 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM, XE-100, PSIA), 정전기현미경(electrostatic force microscopy, EFM)으로 살펴보고, 발광 분광계(photoluminescence, PL, Uni-TOP-3000, Uni-Think)를 이용하여 광화학적 특성을 측정하였다.
제조된 Ti/WO3 나노입자의 결정구조 분석을 위해 X-선 절 분석기(X-ray diffraction, XRD, D/MAX-2500, Rigaku)를 이용하였다. 입자의 크기와 형상은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-4100, Hitachi)으로 관찰하였고, 입자 표면에서의 전기적 특성을 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM, XE-100, PSIA), 정전기현미경(electrostatic force microscopy, EFM)으로 살펴보고, 발광 분광계(photoluminescence, PL, Uni-TOP-3000, Uni-Think)를 이용하여 광화학적 특성을 측정하였다.
촉매합성은 함침법에 의해 환원분위기에서 티타늄 출발물질을 산화텅스텐에 담지하여 Ti/WO3나노 광촉매를 제조하였고, 물 및 저급 알코올 광분해에 대한 수소제조 성능을 평가하였다. 제조한 Ti/WO3의 물리적 특성은 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD) 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM), 발광 분광계(photoluminescence, PL)로, 광화학적 특성은 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM), 정전기현미경(electrostatic force microscopy, EFM)을 통하여 분석하였고, 광분해 반응을 통해 얻은 수소와 산소의 양은 기체크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.
나노 광촉매를 합성하여 최외각 띠에서 전도대로의 전자 이동속도를 향상시켜 광촉매 성능을 장시간 유지시키고자 하였다. 촉매합성은 함침법에 의해 환원분위기에서 티타늄 출발물질을 산화텅스텐에 담지하여 Ti/WO3나노 광촉매를 제조하였고, 물 및 저급 알코올 광분해에 대한 수소제조 성능을 평가하였다. 제조한 Ti/WO3의 물리적 특성은 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD) 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM), 발광 분광계(photoluminescence, PL)로, 광화학적 특성은 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM), 정전기현미경(electrostatic force microscopy, EFM)을 통하여 분석하였고, 광분해 반응을 통해 얻은 수소와 산소의 양은 기체크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.
이론/모형
Figure 1. Preparation of Ti/WO3 using a impregnation method.
결정체 크기를 구하기 위해서 Scherrer 공식 t = 0.9λ/βcosθ을 사용하였다[14].
우선 담체로 사용된 산화텅스텐을 제조하기 위해 솔-젤법[12]을 이용하였다. 100 mL 에탄올 용매에 0.
성능/효과
나노 입자들을 이용하여 메탄올/물 광분해를 통해 제조한 수소발생 누적량을 Figure 7에 제시하였다. Ti/WO3는 순수한 TiO2와 WO3보다 높은 수소발생 누적량을 나타내고 있으며, 특히 0.10 mol%의 Ti가 첨가되었을 때 8시간 반응 시 3.02 mL의 수소가 누적된 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 순수 TiO2를 사용하여 물이나 메탄올을 분해할 경우 수소가 거의 발생하지 않지만 환원력이 우수한 금속이온(구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt) 등)을 TiO2에 1~10%무게비로 함침한 경우, 수소의 발생량은 2시간 누적 시 2~40 mL로 급격히 증가한다[18,19].
의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. WO3는 대체적으로 50 nm 두께의 나노 로드와 시트 형태의 입자형상을 갖는 것을 알 수 있었으며, Ti이 첨가됨에 따라 로드형태는 감소되고, 시트 형태의 입자가 증가하는 것을 확인하였다. 일반적으로 로드 형태보다 시트 형태일 때 촉매의 표면적이 증가하여 활성을 높이는 것으로 알려져 있다[15,16].
이는 광촉매 표면이 더 쉽게 활성화됨을 예상할 수 있으며 정공에 보다 많은 OH 라디칼이 생성되는 것을 의미한다. 광 전기화학적 수소제조를 실시한 결과, 순수 TiO2와 WO3와 비교했을 때 Ti/WO3에서 보다 많은 양의 수소가 생산되었다. 특히 0.
EFM 이미지 분석결과, Ti/WO3 표면에서 전하가 더 용이하게 흐르는 것을 볼 수 있었다. 또한 PL 분석결과로 WO3보다 Ti/WO3가 더 작은 띠 간격을 가지고, 들뜬 전자의 수가 보다 많다는 것을 확인하였다. 이는 광촉매 표면이 더 쉽게 활성화됨을 예상할 수 있으며 정공에 보다 많은 OH 라디칼이 생성되는 것을 의미한다.
솔-젤법과 함침법을 이용하여 합성한 Ti/WO3 나노입자들의 XRD 패턴 분석결과, 0.10 mol% Ti/WO3에서 결정크기가 가장 작았으며, SEM 이미지 분석결과, Ti이 첨가됨에 따라 로드 형태의 입자가 감소되는 것을 확인하였다. EFM 이미지 분석결과, Ti/WO3 표면에서 전하가 더 용이하게 흐르는 것을 볼 수 있었다.
EFM을 통해 전류를 걸어주었을 때 Ti/WO3 입자 표면에서의 더 강한 전하 흐름을 확인하였다. 이를 통해 WO3보다 Ti/WO3 표면에서 여기된 전자들의 흐름이 더 자유롭다는 것을 알 수 있었다.
t는 특정 면에 대한 결정면 크기, λ는 입사되는 X-선의 파장을 나타내며, β는 최대피크 반치폭, 그리고 θ는 회절 각을 나타낸다. 특정 면 (002)에 대해서 그 값을 계산한 결과, WO3, 0.01, 0.10, 0.50 mol% Ti/WO3에서 각각 12.47, 9.32, 8.27, 9.21 nm의 결정면 크기를 나타내는 것을 확인하였다.
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