수열합성법을 이용하여 zinc acetate와 암모니아수를 $80^{\circ}C$의 고온에서 침전 반응시켜 광촉매용 산화아연 입자를 제조하였다. 암모니아수의 pH, 전구체인 zinc acetate의 농도 변화가 산화아연 입자의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 암모니아수 pH 11, zinc acetate의 농도 1.0M, 침전반응온도 $80^{\circ}C$의 조건에서 제조된 산화아연이 평균 입경 $3{\mu}m$로 가장 작았으며, SEM과 XRD 분석을 통하여 육방정계의 봉상 막대형, Anatase 형태의 산화아연이 제조됨을 확인할 수 있었다. DRS와 PL 분석을 통하여 제조된 산화아연이 200~400 nm의 자외선 영역에서 활성을 나타냄을 확인하였고, 자외선 조사 하에서 광분해 실험을 수행한 결과 산화아연은 3시간 동안 식용색소인 Brilliant blue FCF를 57%까지 분해할 수 있었다.
수열합성법을 이용하여 zinc acetate와 암모니아수를 $80^{\circ}C$의 고온에서 침전 반응시켜 광촉매용 산화아연 입자를 제조하였다. 암모니아수의 pH, 전구체인 zinc acetate의 농도 변화가 산화아연 입자의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 암모니아수 pH 11, zinc acetate의 농도 1.0M, 침전반응온도 $80^{\circ}C$의 조건에서 제조된 산화아연이 평균 입경 $3{\mu}m$로 가장 작았으며, SEM과 XRD 분석을 통하여 육방정계의 봉상 막대형, Anatase 형태의 산화아연이 제조됨을 확인할 수 있었다. DRS와 PL 분석을 통하여 제조된 산화아연이 200~400 nm의 자외선 영역에서 활성을 나타냄을 확인하였고, 자외선 조사 하에서 광분해 실험을 수행한 결과 산화아연은 3시간 동안 식용색소인 Brilliant blue FCF를 57%까지 분해할 수 있었다.
Photocatalytic zinc oxide powders were prepared from precursor zinc acetate and ammonia solution at elevated temperature, $80^{\circ}C$, by hydrothermal precipitation method. The effect of operating parameters, pH of ammonia solution and concentration of zinc acetate solution, on the char...
Photocatalytic zinc oxide powders were prepared from precursor zinc acetate and ammonia solution at elevated temperature, $80^{\circ}C$, by hydrothermal precipitation method. The effect of operating parameters, pH of ammonia solution and concentration of zinc acetate solution, on the characteristics of zinc oxide powders were experimentally examined. Zinc oxide powders prepared at the conditions of pH 11, zinc acetate concentration of 1.0 M, precipitation temperature of $80^{\circ}C$, showed smallest average particle diameter of $3{\mu}m$. SEM and XRD analysis confirmed that prepared zinc oxide has hexagonal rods structure, and Anatase type crystallinity. In addition, DRS and PL analysis showed that the zinc oxide has activity at the range of 200~400 nm of UV light. And the zinc oxide decomposed 57% of a food-color stamp Brilliant blue FCF for 3 hours under the UV radiation.
Photocatalytic zinc oxide powders were prepared from precursor zinc acetate and ammonia solution at elevated temperature, $80^{\circ}C$, by hydrothermal precipitation method. The effect of operating parameters, pH of ammonia solution and concentration of zinc acetate solution, on the characteristics of zinc oxide powders were experimentally examined. Zinc oxide powders prepared at the conditions of pH 11, zinc acetate concentration of 1.0 M, precipitation temperature of $80^{\circ}C$, showed smallest average particle diameter of $3{\mu}m$. SEM and XRD analysis confirmed that prepared zinc oxide has hexagonal rods structure, and Anatase type crystallinity. In addition, DRS and PL analysis showed that the zinc oxide has activity at the range of 200~400 nm of UV light. And the zinc oxide decomposed 57% of a food-color stamp Brilliant blue FCF for 3 hours under the UV radiation.
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문제 정의
광분해 반응 중 일정 시간 간격으로 램프 전원을 끄고 반응기 중앙에서 현탁액 시료를 신속히 채취하고, 원심분리기(한일, MF-80)로 2,500 rpm에서 1시간 동안원심 분리한 후 상등액을취하여 UV분광기(Jasco, V-570)를 사용하여 파장 408 nm에서 Brilliant blue FCF의 잔류농도를 측정하였다. 시료를 채취한 후에는 즉시 램프의 전원을 켜 반응의 연속성을 유지하고자 하였다.
제안 방법
제조된 산화아연 입자의 광분해 성능을 조사하기 위해서 청색 1호 색소인 Brilliant blue FCF에 대한 광분해 실험을 수행하였다. 20 ppm의 Brilliant blue FCF 수용액에 제조한 산화아연 입자 1g을 분말 상태로 주입하여 자외선 조사 하에서 광분해 실험을 진행하고, 그 결과를 Fig. 12에 나타내었다.
Zinc acetate 농도에 따른 변화를 관찰하기 위하여 암모니아 수용액을 pH 11.2로 고정한 후, 전구체인 zinc acetate의 농도를 0.4~1.0 M로 변화시키면서 실험하였다.
실험장치로는 이전 연구[15]에서와 동일하게 분리형 사구 플라스크와 heating 맨틀을 주 반응장치로 사용하였고, 용액의 균일한 혼합을 위해 교반기를, 고온에서 암모니아 수용액의 기화를 막기 위해 콘덴서를 각각 설치하였다. Zinc acetate 수용액을 분무하여 산화아연을 직접 제조하였으며, 실험 중 온도변화를 측정하였다. 합성된 산화아연 침전물은 진공펌프를 연결한 분리형 진공여과장치에 0.
pH를 변화시켜 제조한 산화아연 입자의 평균크기를 입도분포측정기를 사용하여 측정하였으며 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
현탁 상태에서 UV 광원으로부터 자외선을 조사하여 광분해를 시도하였다[16,17]. 광분해 반응 중 일정 시간 간격으로 램프 전원을 끄고 반응기 중앙에서 현탁액 시료를 신속히 채취하고, 원심분리기(한일, MF-80)로 2,500 rpm에서 1시간 동안원심 분리한 후 상등액을취하여 UV분광기(Jasco, V-570)를 사용하여 파장 408 nm에서 Brilliant blue FCF의 잔류농도를 측정하였다. 시료를 채취한 후에는 즉시 램프의 전원을 켜 반응의 연속성을 유지하고자 하였다.
산화아연의 대표적인 합성 방법인 수열 합성법은 액상에서 수산화기(-OH)를 포함한 수산화 화합물을 합성한 후, 이를 고온에서 소성하여 산화아연 입자를 얻는 방법[14]인데, 이 방법으로는 두 단계의 공정이 필요하다. 그러나 본 연구에서는 공정을 단축하기 위하여, 고온에서 침전반응을 진행시켜 직접 산화물을 합성하였다. 산화아연 전구체인 zinc acetate 용액의 농도와 석출매체인 암모니아 수용액의 pH를 조절하여 고온에서 직접 산화아연을 제조하고, 이들 변수들이 산화아연 입자의 결정화도, 평균 입자 크기 및 형상, 분광학적 특성, 광촉매 분해 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다.
또한, 광분해 특성을 파악한 후 광촉매로서의 분해능을 파악하기 위하여 Brilliant blue FCF 수용액의 광분해 실험을 실시하였다.
PL은 일정 세기의 광원 하에서 빛을 받은 전자가 바닥상태에서 여기상태로 이동한 후 다시 바닥상태로 돌아갈 때 방출하는 빛 에너지를 흡수함으로써 전하 운반체의 포집효율 및 촉매 입자 내부에서 생기는 전자/전공쌍의 거동을 분석하는 방법이다. 산화아연 입자에 대하여 광의 파장은 300 nm로 조사하였으며, 입자가 방출하는 발광 에너지는 300~500 nm 범위에서 측정하였다.
그러나 본 연구에서는 공정을 단축하기 위하여, 고온에서 침전반응을 진행시켜 직접 산화물을 합성하였다. 산화아연 전구체인 zinc acetate 용액의 농도와 석출매체인 암모니아 수용액의 pH를 조절하여 고온에서 직접 산화아연을 제조하고, 이들 변수들이 산화아연 입자의 결정화도, 평균 입자 크기 및 형상, 분광학적 특성, 광촉매 분해 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다.
암모니아수의 pH는 원액에 증류수를 첨가하여 pH를 11~12까지 조절하여 반응기에 300 mL의 양을 주입하였다. 여기에 1.0 M의 zinc acetate 수용액 100 mL를 여러 차례에 나누어 분무하여 침전물을 얻음으로써 pH 변화에 따른 제조특성을 관찰하였다.
Brilliant blue FCF의 광분해 실험에도 이전 연구[15]에서와 동일한 장치를 사용하였다. 용량 1 l 크기의 원통형 유리 반응기와 주파장 254 nm, 출력 4W인 침지형 램프(Philips, UV-C형) 및 자석식 교반기 등 세 부분으로 구성된 장치를 자외선의 외부 유출과 외부광의 유입을 방지하기 위해 밀폐된 스티로폼 용기 내에 설치하여 제조된 산화아연의 색소 분해능을 실험하였다.
제조된 산화아연 입자의 광분해 성능을 조사하기 위해서 청색 1호 색소인 Brilliant blue FCF에 대한 광분해 실험을 수행하였다. 20 ppm의 Brilliant blue FCF 수용액에 제조한 산화아연 입자 1g을 분말 상태로 주입하여 자외선 조사 하에서 광분해 실험을 진행하고, 그 결과를 Fig.
제조된 산화아연 입자의 분광학적 특성의 측정에는 Photoluminescence spectrophotometer (PL, Hitachi F-4500, Japan)를 사용하였다. PL은 일정 세기의 광원 하에서 빛을 받은 전자가 바닥상태에서 여기상태로 이동한 후 다시 바닥상태로 돌아갈 때 방출하는 빛 에너지를 흡수함으로써 전하 운반체의 포집효율 및 촉매 입자 내부에서 생기는 전자/전공쌍의 거동을 분석하는 방법이다.
제조된 산화아연 입자의 크기와 형상을 입도분포측정기(Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter (USA), LS13320)와 주사현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi (Japan), S-2700)을 통해 관찰하였고, 산화아연 침전물의 결정성을 X-선 회절분석기(X-ray Diffractometer, Rigaku (Japan), D/MAX2500)로 확인하였다.
제조된 산화아연 입자의 흡광도는 UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS) (Varian Cary 100, USA)를 이용하여 측정하였다. 흡광도 측정용 시편은 일정량의 산화아연 입자를 에탄올에 혼합하여 초음파로 24시간 분산시킨 후, 2.
20 ppm의 Brilliant blue FCF 용액 1 l를 반응기 내에 주입하고, 격렬하게 교반하면서 제조된 산화아연 분말 1 g을 투입하였다. 현탁 상태에서 UV 광원으로부터 자외선을 조사하여 광분해를 시도하였다[16,17]. 광분해 반응 중 일정 시간 간격으로 램프 전원을 끄고 반응기 중앙에서 현탁액 시료를 신속히 채취하고, 원심분리기(한일, MF-80)로 2,500 rpm에서 1시간 동안원심 분리한 후 상등액을취하여 UV분광기(Jasco, V-570)를 사용하여 파장 408 nm에서 Brilliant blue FCF의 잔류농도를 측정하였다.
대상 데이터
광촉매용 산화아연 입자의 제조를 위한 출발 물질로는 zinc acetate (Sigma Aldrichi) 수용액과, 암모니아수(Junsei)를 사용하였다. 먼저 암모니아 수용액의 pH를 고정시킨 후 일정량을 반응기에 넣고 80℃까지 가열한 후 농도를 조절한 zinc acetate 수용액을 반응기 내로 분무 주입하였다.
실험장치로는 이전 연구[15]에서와 동일하게 분리형 사구 플라스크와 heating 맨틀을 주 반응장치로 사용하였고, 용액의 균일한 혼합을 위해 교반기를, 고온에서 암모니아 수용액의 기화를 막기 위해 콘덴서를 각각 설치하였다. Zinc acetate 수용액을 분무하여 산화아연을 직접 제조하였으며, 실험 중 온도변화를 측정하였다.
성능/효과
(1) 암모니아수와 zinc acetate 수용액을 이용하여 한 단계의 수열 합성 침전법으로 Anatase 형태의 봉상막대형 산화아연 입자를 제조할 수 있었다.
(2) 제조되는 산화아연 입자의 크기는 암모니아 수용액의 pH가 낮을수록, zinc acetate 수용액의 농도가 높을수록 감소하였다.
(3) 제조된 산화아연 입자들은 400~200 nm인 자외선 영역의 파장에서 활성을 나타내었으며, 제조 시 사용된 암모니아 수용액의 pH의 변화에는 큰 차이가 없지만, zinc acetate 수용액의 농도가 높을수록 우수한 활성을 나타내었다.
(4) 제조된 산화아연 입자들은 자외선 조사 하에서 식용색소인 Brilliant blue FCF를 광분해 할 수 있었으며, 제조 수용액의 pH가 낮을 때, zinc acetate 수용액의 농도가 높을 때 우수한 분해능을 나타내었다.
13을 보면, 산화아연 입자 1 g을 사용하여 Brilliant blue FCF에 대한 광분해를 수행하면 40~50%의 Brilliant blue FCF가 분해되는 것을 알 수 있다. 1.0 M의 zinc acetate를 사용하여 제조된 산화아연이 가장 우수한 광분해능을 나타내는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 1.
SEM 배율을 60,000배로 확대하였을 때의 사진들을 보면, 0.4 M의 zinc acetate 수용액으로 제조된 산화아연 입자들은 1.0 M의 수용액으로부터 제조된 입자들에 비하여 작은 결정들이 더욱 촘촘하게 응집되어 있다는 것을 알 수 있다.
사용된 산화아연 입자의 종류에 따라 최소 25%에서 최대 57%의 분해율을 나타내었다. pH가 11~11.2 범위에서 제조된 산화아연 입자들이 다른 조건에서 제조된 입자들에 비하여 우수한 분해능을 나타내었고, 광분해가 3시간 동안 진행되면 분해율이 50%에 도달하는 것을 알 수 있다.
12를 보면, 분해시간에 따라 색소의 잔류농도가 점진적으로 감소하여 광분해가 진행됨을 확인할 수 있다. 사용된 산화아연 입자의 종류에 따라 최소 25%에서 최대 57%의 분해율을 나타내었다. pH가 11~11.
0 M의 zinc acetate를 사용하여 제조된 산화아연이 가장 우수한 광분해능을 나타내는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 1.0 M의 zinc acetate를 사용하여 제조된 산화아연이 DRS 분석 결과 활성점이 가장 높다는 결과와 일치하는 것이라 할 수 있다.
산화아연의 특성피크는 (100), (002) 및 (101)에서 나타났으며, pH가 증가할수록 (101)피크의 크기가 감소하는 것을 알 수 있다. 입자의 결정성은 XRD peak의 크기가 증가할수록 커지므로, 이러한 결과로부터 pH가 증가하면 생성되는 산화아연 입자의 결정성이 감소한다는 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 암모니아수의 pH, 전구체인 zinc acetate의 농도 변화가 산화아연 입자의 특성에 미치는 영향을 조사한 결과는 어떠한가?
(1) 암모니아수와 zinc acetate 수용액을 이용하여 한 단계의 수열 합성 침전법으로 Anatase 형태의 봉상막대형 산화아연 입자를 제조할 수 있었다.
(2) 제조되는 산화아연 입자의 크기는 암모니아 수용액의 pH가 낮을수록, zinc acetate 수용액의 농도가 높을수록 감소하였다.
(3) 제조된 산화아연 입자들은 400~200 nm인 자외선 영역의 파장에서 활성을 나타내었으며, 제조 시 사용된 암모니아 수용액의 pH의 변화에는 큰 차이가 없지만, zinc acetate 수용액의 농도가 높을수록 우수한 활성을 나타내었다.
(4) 제조된 산화아연 입자들은 자외선 조사 하에서 식용색소인 Brilliant blue FCF를 광분해 할 수 있었으며, 제조 수용액의 pH가 낮을 때, zinc acetate 수용액의 농도가 높을 때 우수한 분해능을 나타내었다.
산화아연이란?
나노구조 물질은 크기효과와 양자구속효과로 인하여 독특한 전기적, 광학적, 자기적 특성을 나타내므로 반도체 소자에 응용하기 위한 폭넓은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 산화아연은 2~4족 화합물 반도체로 6방정계의 결정구조를 가지며, 비저항이 결정성장 조건에 따라 폭넓게 변하는 전형적인 n-type형 반도체이다. 그리고 넓은 밴드갭(3.
나노 구조체 합성 방법에는 어떤 것들이 있는가?
나노 구조체는 열증착법(thermal evaporation method)[6], 기상액상-고상법(vapor-liquid-solid method)[7], 기상이송법(vapor transport method) [8], 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition method)[9], 화학기상증착법(chemical vapor deposition method)[10], 유기금속 기체 성장법(metalorganic vapor-phase epitaxial growth method)[11], 수열합성법(hydrothermal method) [12] 등 다양한 방법으로 합성되고 있다. 이런 다양한 합성법 중에서 수열합성법은 비교적 저온에서 간단하고 쉽게 1차원 나노구조체를 합성할 수 있기 때문에 산업에서의 응용 가능성이 매우 높아 나노 구조체의 합성에 많이 활용된다[13].
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