가시광선에 감응하는 광촉매를 제조하기 위하여 $TiO_2$에 질소(N)를 도핑하여 $N-TiO_2$를 제조하였다. 제조한 광촉매의 결정성, 입자 형상 및 도핑 상태는 XRD, FE-SEM 및 XPS를 이용하여 조사하였다. 제조한 광촉매의 활성 평가는 메틸렌블루의 광분해로 조사하였다. 제조한 광촉매는 anatase type이었으며, pH가 높을수록 결정화도가 향상되었다. 제조한 광촉매의 입자 크기는 pH 2.0에서 5.42 nm, pH 4.7에서 5.99 nm, pH 9.0에서 7.58 nm로, 입자 크기는 pH가 증가 할수록 약간씩 증가하였다. 광촉매의 활성은 결정화도에 비례하였다. $TiO_2$에 N를 도핑하여 제조한 $N-TiO_2$가 가시광선 하에서도 활성을 나타냈다. $TiO_2$에 도핑한 N는 격자 속에 존재하는 것이 아니라 표면에 존재하였다.
가시광선에 감응하는 광촉매를 제조하기 위하여 $TiO_2$에 질소(N)를 도핑하여 $N-TiO_2$를 제조하였다. 제조한 광촉매의 결정성, 입자 형상 및 도핑 상태는 XRD, FE-SEM 및 XPS를 이용하여 조사하였다. 제조한 광촉매의 활성 평가는 메틸렌블루의 광분해로 조사하였다. 제조한 광촉매는 anatase type이었으며, pH가 높을수록 결정화도가 향상되었다. 제조한 광촉매의 입자 크기는 pH 2.0에서 5.42 nm, pH 4.7에서 5.99 nm, pH 9.0에서 7.58 nm로, 입자 크기는 pH가 증가 할수록 약간씩 증가하였다. 광촉매의 활성은 결정화도에 비례하였다. $TiO_2$에 N를 도핑하여 제조한 $N-TiO_2$가 가시광선 하에서도 활성을 나타냈다. $TiO_2$에 도핑한 N는 격자 속에 존재하는 것이 아니라 표면에 존재하였다.
Visible-light-responding photocatalysts, $N-TiO_2$, were prepared by nitrogen doping onto $TiO_2$. The crystalline structure and morphology, doping state of the prepared photocatalysts were characterized by XRD, FE-SEM, and XPS. The activity of the prepared photocatalysts was e...
Visible-light-responding photocatalysts, $N-TiO_2$, were prepared by nitrogen doping onto $TiO_2$. The crystalline structure and morphology, doping state of the prepared photocatalysts were characterized by XRD, FE-SEM, and XPS. The activity of the prepared photocatalysts was examined by the decomposition of methyleneblue. The prepared catalysts were anatase type and the crystallinity was increased with pH. The particle sizes of the prepared catalysts were 5.42, 5.99, 7.58 nm at pH 2.2, 4.7, 9.0, respectively. The particle sizes of the prepared catalysts were slightly increased with pH. The activity of the photocatalysts was directly proportional to the crystallinity of the catalysts. $N-TiO_2$ prepared by nitrogen doping onto $TiO_2$ showed activity under visible light. The doped nitrogen was located not in the lattice but on the surface.
Visible-light-responding photocatalysts, $N-TiO_2$, were prepared by nitrogen doping onto $TiO_2$. The crystalline structure and morphology, doping state of the prepared photocatalysts were characterized by XRD, FE-SEM, and XPS. The activity of the prepared photocatalysts was examined by the decomposition of methyleneblue. The prepared catalysts were anatase type and the crystallinity was increased with pH. The particle sizes of the prepared catalysts were 5.42, 5.99, 7.58 nm at pH 2.2, 4.7, 9.0, respectively. The particle sizes of the prepared catalysts were slightly increased with pH. The activity of the photocatalysts was directly proportional to the crystallinity of the catalysts. $N-TiO_2$ prepared by nitrogen doping onto $TiO_2$ showed activity under visible light. The doped nitrogen was located not in the lattice but on the surface.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 질소 도핑을 통하여 가시광선에 감응하는 N-TiO2 광촉매를 제조하고 그 특성을 분석하여 보고자 한다. 아울러 메틸렌블루의 분해 반응에 제조한 광촉매를 이용하여 광분해율을 조사하고자 한다.
광촉매를 제조하고 그 특성을 분석하여 보고자 한다. 아울러 메틸렌블루의 분해 반응에 제조한 광촉매를 이용하여 광분해율을 조사하고자 한다.
제안 방법
N-TiO2 광촉매 제조 시 pH 변화에 따른 활성 변화를 조사하여보았다. pH를 2.
XPS 분석기를 이용하여 질소 도핑 TiO2(N-TiO2) 광촉매의 표면을 분석하여 보았으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Binding energy 400 eV에서 N 1S XPS 피크를 확인할 수 있었다.
광촉매 제조 시 pH 변화에 따른 활성 변화를 조사하여보았다. pH를 2.0, 4.7, 9.0로 조절하여 각각 제조한 N-TiO2 광촉매의 활성을 평가하기 위하여 0.2 g의 광촉매를 300 ppm의 메틸렌블루 수용액 50 ml에 분산시켜 자외선과 가시광선 하에서 광분해 실험을 실시하였다.
제조한 광촉매의 활성실험은 다음과 같이 하였다. 광촉매 0.2 g을 300 ppm 메틸렌블루 수용액 50 ml에 초음파 분산시킨 후 1, 2, 3, 4 시간 동안 해당 광을 조사하고, UV-VIS spectrometer를 이용하여 시간에 따른 메틸렌블루 농도변화를 측정하였다.
), 전계방사 주사 전자현미경(field emission scanning electron microscope; FE-SEM, JSM7500F), 및 X-선광전자 분광기(X-ray photoelectron spectrometer; XPS, ESCA 2000)를 이용하였다. 광촉매 반응 실험에서 반응시간에 따른 메틸렌 블루의 농도 변화는 자외선-가시광선분광기(UV-VIS spectrometer, SHIMADZU, UV-1601)를 이용하여 분석하였다.
광촉매의 결정성, 입자형상 및 구조 측정을 위하여 X-선 회절장치(XRD, Cu Kα radiation on a PANalytical X'pert-Pro.), 전계방사 주사 전자현미경(field emission scanning electron microscope; FE-SEM, JSM7500F), 및 X-선광전자 분광기(X-ray photoelectron spectrometer; XPS, ESCA 2000)를 이용하였다.
0가 되도록 적하시켰다. 또한 pH 변화가입자의 크기와 형상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 pH를 2.0, 4.7로 조절하여 비교하여 보았다. NH4OH를 적하한 현탁액을 6 시간 동안 교반 후, 80 ℃에서 15 시간 동안 건조하였다.
알콕사이드 졸-겔법으로 nanosized N-TiO2 광촉매 합성에서 pH의 변화는 입자의 형상 및 크기 그리고 광활성 등에 영향을 미친다고 알려져 있기 때문에[14], pH를 2.0, 4.7, 9.0로 조절하면서 결정 구조와 크기, 광촉매 활성 등을 조사하여 보았다. pH는 NH4OH를 첨가하여 조절하였다.
액상 불균일계 광촉매 반응을 위하여 회분식 반응기를 제작하였다. 제작한 회분식반응기(40×30×30 cm) 안에는 온도 센서를 설치하여 온도를 실시간으로 관찰할 수 있도록 하였고, 환풍기를 장착하여 내부의 열이 밖으로 배출되도록 하였다.
제작한 회분식반응기(40×30×30 cm) 안에는 온도 센서를 설치하여 온도를 실시간으로 관찰할 수 있도록 하였고, 환풍기를 장착하여 내부의 열이 밖으로 배출되도록 하였다.
제조한 광촉매의 활성을 평가해 보기 위하여 메틸렌블루(C16H18N3SCl․3H2O)의 광분해 실험을 수행하였다. 메틸렌 블루의 발색단인 thiazine은 수용액 상에서 청록색을 띠게 되는데, 이 물질을 광촉매로 분해함으로써 색도 감소에 따른 광분해율을 쉽게 측정할 수 있다.
대상 데이터
N-TiO2 광촉매 제조를 위한 전구체로서 티타늄부톡사이드(Ti(OC4H9)4)를, 알콕사이드와 물의 혼합을 위한 조용매로 에탄올을 사용하였다. TiO2 광촉매에 질소 도핑을 위하여 NH4OH를 사용하였다.
N-doped TiO2 분말 제조를 위한 출발 물질로 Ti(OC4H9)4를 사용하였다. 졸-겔 합성 시 물과 알콕사이드(R)의 몰비(H2O/R)를 150으로 조절 하였고, 용매로 사용되는 에탄올과의 몰비(EtOH/R)는 50으로 고정하였다.
)를, 알콕사이드와 물의 혼합을 위한 조용매로 에탄올을 사용하였다. TiO2 광촉매에 질소 도핑을 위하여 NH4OH를 사용하였다. 광촉매의 활성 검토를 위한 액상 분해물질로는 메틸렌블루(C16H18N3SCl·3H2O)를 사용하였다.
광촉매의 활성 검토를 위한 액상 분해물질로는 메틸렌블루(C16H18N3SCl·3H2O)를 사용하였다.
광촉매의 활성 검토를 위한 액상 분해물질로는 메틸렌블루(C16H18N3SCl·3H2O)를 사용하였다. 반응기 내부 광촉매 코팅을 위하여 5 % polyvinylalcohol (PVA)를 사용하였다.
제작한 회분식반응기(40×30×30 cm) 안에는 온도 센서를 설치하여 온도를 실시간으로 관찰할 수 있도록 하였고, 환풍기를 장착하여 내부의 열이 밖으로 배출되도록 하였다. 자외선 광원으로 368 nm의 주 피크를 갖는 10 W BLB(black light bulb) 램프 3개를 설치하였고, 가시광선 광원으로 10 W 형광전구 3개를 설치하였다. Fig.
이론/모형
pH 변화에 따른 입자의 크기는 XRD 분석에서 얻은 회절패턴 중 주 피크의 반치폭 (FWHM; full width at half maximum)으로부터 Scherrer equation을 이용하여 구하였다.
성능/효과
1. 광촉매의 졸-겔 합성 시 NH4OH를 첨가하여 N-TiO2를 제조하였으며, 광촉매 제조 시 pH 변화가 TiO2에 미치는 영향을 살펴본 결과, pH가 높을수록 anatase 결정화도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 제조한 광촉매의 입자 크기는 pH 2.
2. 자외선 하에서 메틸렌블루의 광분해 실험 결과 pH 9.0 N-TiO2의 광분해율이 약 74 %로 가장 높았으며, 제조 시 pH가 클수록 광분해율이 높았다. 광촉매의 활성이 결정화도에 비례함을 알 수 있었다.
3. 가시광선 하에서의 메틸렌불루 광분해 실험 결과 pH 2.0과 4.7인 경우에는 활성을 보이지 않았으나 pH 9.0인 경우 약 43 %의 광분해율을 나타냈다. 이러한 결과는 졸-겔 합성시 첨가된 NH4+이온 중 질소가 TiO2에 삽입됨으로써 질소와 산소의 2p 준위의 혼성으로 인해 TiO2의 밴드 갭이 줄어들었기 때문이라고 판단된다.
4. TiO2에 N를 도핑하여 제조한 N-TiO2가 가시광선 하에서도 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
6에 나타내었다. 4시간 동안 광반응 시킨 결과, pH 9.0 N-TiO2는 약 74 %, pH 4.7은 약 49%, pH 2.0은 약 38 %의 광분해율을 나타내었다. 이로부터 본 실험 조건에서 pH가 클수록 광분해능이 큼을 알 수 있었다.
5. TiO2에 도핑한 질소는 격자 속에 존재하는 것이 아니라 표면에 존재함을 확인할 수 있었다.
154 nm) 그리고 β는 회절 패턴 중 주 피크(2θ=25°)의 FWHM이다. Scherrer equation을 이용한 계산 결과, pH 2.0는 5.42 nm, pH 4.7은 5.99 nm, pH 9.0는 7.58 nm로 N-TiO2 입자 크기는 pH가 증가할수록 점점 커지는 것으로 나타났다. 이는 졸-겔 합성 시 산 촉매의 첨가는 가수분해를 억제하는 역할을 하여 입자의 크기를 줄이고, 염기성 촉매는 가수분해를 촉진시켜 입자의 크기를 증가 시킨다는 설명에 부합된다[14, 15]
XPS 분석결과 질소는 TiO2 격자 내의 산소 자리에 치환되어 있는 것이 아니고, 표면에 존재하는 것으로 확인할 수 있었다.
그림에서 볼 수 있는 것 같이 pH의 변화에 상관없이 모두 TiO2의 (101), (004), (105), (211), (204)면에 의한 피크를 보여줌으로서 전형적인 anatase 결정구조를 가짐을 알 수 있었다. 결정화도는 pH 9.0인 경우 pH 2.0와 4.7에 비해 더 좋게 나타났으며, 본 실험조건에서는 pH가 증가할수록 결정화도가 더 증가하는 것으로 나타났다.
이로부터 본 실험 조건에서 pH가 클수록 광분해능이 큼을 알 수 있었다. 이는 앞의 XRD 결과에서 살펴본 것과 같이 pH가 클수록 anatase 결정화도가 높았으며, 따라서 광촉매 활성은 결정화도에 비례함을 알 수 있었다.
0은 약 38 %의 광분해율을 나타내었다. 이로부터 본 실험 조건에서 pH가 클수록 광분해능이 큼을 알 수 있었다. 이는 앞의 XRD 결과에서 살펴본 것과 같이 pH가 클수록 anatase 결정화도가 높았으며, 따라서 광촉매 활성은 결정화도에 비례함을 알 수 있었다.
광촉매의 졸-겔 합성 시 NH4OH를 첨가하여 N-TiO2를 제조하였으며, 광촉매 제조 시 pH 변화가 TiO2에 미치는 영향을 살펴본 결과, pH가 높을수록 anatase 결정화도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 제조한 광촉매의 입자 크기는 pH 2.0에서 5.42 nm, pH 4.7에서 5.99 nm, pH 9.0에서 7.58 nm로 N-TiO2 입자 크기는 pH가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TiO2가 광촉매 물질로 많이 이용되는 이유는 무엇인가?
TiO2는 저렴하며 화학적·생물학적으로 매우 안정한 물질이기 때문에 대기 및 수질 정화, 탈취, 향균 등을 위한 광촉매 물질로 널리 이용되고 있다[1]. 그러나 TiO2는 3.
가시광선에 감응하는 광촉매를 제조하기 위해서는 어떤 방법이 있는가?
가시광선에 감응하는 광촉매를 제조하기 위해서는 TiO2의 밴드 갭을 조절하여 자외선에서 가시광선 영역으로 광반응 영역을 확대하는 적색이동 방법이 있다. 그 중에서 대표적인 것이 질소 도핑법이다[7-13]
TiO2에 질소를 도핑하여 가시광선에 감응하는 N-TiO2 광촉매를 제조하고, 이를 메틸렌블루 광분해에 이용하여 얻은 결론은?
1. 광촉매의 졸-겔 합성 시 NH4OH를 첨가하여 N-TiO2를 제조하였으며, 광촉매 제조 시 pH 변화가 TiO2에 미치는 영향을 살펴본 결과, pH가 높을수록 anatase 결정화도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 제조한 광촉매의 입자 크기는 pH 2.0에서 5.42 nm, pH 4.7에서 5.99 nm, pH 9.0에서 7.58 nm로 N-TiO2 입자 크기는 pH가 증가할수록 약간씩 증가하는 것을 알 수 있었다.
2. 자외선 하에서 메틸렌블루의 광분해 실험 결과 pH 9.0 N-TiO2의 광분해율이 약 74 %로 가장 높았으며, 제조 시 pH가 클수록 광분해율이 높았다. 광촉매의 활성이 결정화도에 비례함을 알 수 있었다.
3. 가시광선 하에서의 메틸렌불루 광분해 실험 결과 pH 2.0과 4.7인 경우에는 활성을 보이지 않았으나 pH 9.0인 경우 약 43 %의 광분해율을 나타냈다. 이러한 결과는 졸-겔 합성시 첨가된 NH4+이온 중 질소가 TiO2에 삽입됨으로써 질소와 산소의 2p 준위의 혼성으로 인해 TiO2의 밴드 갭이 줄어들었기 때문이라고 판단된다.
4. TiO2에 N를 도핑하여 제조한 N-TiO2가 가시광선 하에서도 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
5. TiO2에 도핑한 질소는 격자 속에 존재하는 것이 아니라 표면에 존재함을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (15)
A. Fujishima, T. N. Rao, and D. A Tryk, Titanium Dioxide Photo Catalysis, Journal of Photochemisty and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 1, 1(2002).
X. Zhang and L. Lei, One Step Preparation of Visible Light Responsive Fe- $TiO_2$ Coating Photocatalysts by MOCVD, Materials Letters, 62, 895 (2008).
Y. Ishibai, J. Sato, T. Nishikawa, and S. Miyagishi, Synthesis of Visible Light Active $TiO_2$ Photocatalyst with Pt Modification: Role of $TiO_2$ Substrate for High Photocatalytic Activity, Applied Catalysis B: Environmental, 79, 117(2008).
N. L. Wu and M. S. Lee, Enhanced TiO2 Photocatalysis by Cu in Hydrogen Production from Aqueous Methanol Solution, International Journal of Hydrogen Energy, 29, 1601(2004).
W. Choi, A. Termin, and M. R. Hoffmann, The Role of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized $TiO_2$ : Correlation between Photoreactivity and Charge Carrier Recombination Dynamics, J. Phys. Chem., 98, 13669 (1994).
I. Hiroshi, W. Yuka, and H. Kazuhito, Nitrogen Concentration Dependence on Photocatalytic Activity of $TiO_2$ -Nx Powders, J. Phys. Chem. B., 107, 5483(2003).
C. D. Valentin, E. Finazzi, G. Pacchioni, A. Selloni, S. Livraghi, M. C. Paganini, and E. Giamello, N-doped $TiO_2$ : Theory and Experiment, Chemical Physics, 339 44(2007).
Y. Wang, C. Feng, Z. Jin, J. Zhang, J. Yang, and S. Zhang, A novel N-doped $TiO_2$ with High Visible Light Photocatalytic Activity, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 260, 1(2006).
J. Zhang, Y. Wang, Z. Jin, Z. Wu, and Z. Zhang, Visible Light Photocatalytic Behavior of Two Different N-doped $TiO_2$ , Applied Surface Science, 254, 4462(2008).
J. H. Xu, J. Li, W. L. Dai, Y. Cao, H. Li, and K. Fan, Simple Fabrication of Twist-Like Helix N, S-codoped Titania Photocatalyst with Visible-Light Response, Applied Catalysis B: Environmental, 79, 72(2008).
L. Huang, Z. Sun, and Y. Liu, N- doped $TiO_2$ Nanotubes with Visible Light Photo-Activity for Degradation of Methyl Orange in Water, Journal of the Ceramic Society of Japan, 115, 28(2007).
T. Morikawa, T. Ohwaki, K. I. Suzuki, S. Moribe, and T. K. Shozo, Visible-lightinduced Photocatalytic Oxidation of Carboxylicacids and Aldehydes over N-doped $TiO_2$ Loaded with Fe, Cu or Pt, Applied Catalysis B: Environmental, 83, 56(2008).
B. Li, X. Wang, M. Yan, and L. Li, Preparation and Characterization of Nano- $TiO_2$ Powder, Materials Chemistry and Physics, 78, 184(2002).
H. O. Hsin and L. L. Shang, Review of Titania Nanotubes Synthesized via the Hydrothermal Treatment: Fabrication, Modification, and Application, Separation and Purification Technology, 58, 179 (2007).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.