[논문]가시광 활성 WO3-TiO2 복합체 광촉매의 제조 및 이의 특성 평가

여인철; 강인철

doi:10.4150/kpmi.2013.20.6.474

Abstract ▼ AI-Helper

The most general photocatalyst, $TiO_2$ and $WO_3$, are acknowledged to be ineffective in range of visible light. Therefore, many efforts have been directed at improving their activity such as: band-gap narrowing with non-metal element doping and making composites with high spe...

The most general photocatalyst, $TiO_2$ and $WO_3$, are acknowledged to be ineffective in range of visible light. Therefore, many efforts have been directed at improving their activity such as: band-gap narrowing with non-metal element doping and making composites with high specific surface area to effectively separate electrons and holes. In this paper, the method was introduced to prepare a photo-active catalyst to visible irradiation by making a mixture with $TiO_2$ and $WO_3$. In the $TiO_2-WO_3$ composite, $WO_3$ absorbs visible light creating excited electrons and holes while some of the excited electrons move to $TiO_2$ and the holes remain in $WO_3$. This charge separation reduces electron-hole recombination resulting in an enhancement of photocatalytic activity. Added Ag plays the role of electron acceptor, retarding the recombination rate of excited electrons and holes. In making a mixture of $TiO_2-WO_3$ composite, the mixing route affects the photocatalytic activity. The planetary ball-mill method is more effective than magnetic stirring route, owing to a more effective dispersion of aggregated powders. The volume ratio of $TiO_2(4)$ and $WO_3(6)$ shows the most effective photocatalytic activity in the range of visible light in the view point of effective separation of electrons and holes.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 가시광 영역에서 광촉매 활성도가 낮은 아나타제 TiO₂와 밴드-갭 에너지가 작아 광촉매 활성도가 낮은 WO₃의 혼합을 통하여 가시광에 대하여 활성을 갖는 광촉매를 제조하고자 한다. WO₃는 밴드-갭 에너지가 작아쉽게 전자와 홀이 형성되지만 밴드-갭이 작아 쉽게 재결합하게 되어 광촉매 반응이 불가능하기에 TiO₂-WO₃ 복합화에 대한 연구가 많이 진행되었다[12-14].
한편, 분말 혼합 공정은 분말의 균일 혼합, 상 조성 제어, 비표면적 향상 등과 밀접한 관계가 있다. 본 연구에서는 마그네틱 자석의 회전을 이용한 혼합과 유성볼밀 공정을 이용한 혼합 공정을 비교하여 광촉매 효율 개선에 적합한 공정에 대하여 연구하였다.

제안 방법

WO₃는 밴드-갭 에너지가 작아쉽게 전자와 홀이 형성되지만 밴드-갭이 작아 쉽게 재결합하게 되어 광촉매 반응이 불가능하기에 TiO₂-WO₃ 복합화에 대한 연구가 많이 진행되었다[12-14]. 그러나 여기에 TiO₂를 첨가함으로써 전자 받게 역할을 하게 함으로써 WO₃에서 여기된 전자를 받아 WO₃의 홀과 효과적으로 분리시키고자 한 것이다. 또한 여기에 Ag를 첨가함으로써 여기된 전자를 받아 전자 분리 효과를 높여 광촉매 효율을 높이고자 한다[15, 16].
그러나 여기에 TiO₂를 첨가함으로써 전자 받게 역할을 하게 함으로써 WO₃에서 여기된 전자를 받아 WO₃의 홀과 효과적으로 분리시키고자 한 것이다. 또한 여기에 Ag를 첨가함으로써 여기된 전자를 받아 전자 분리 효과를 높여 광촉매 효율을 높이고자 한다[15, 16].
주사전자현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscope; SU-8010, Hitach)을 이용하여 분말의 미세조직 및 혼합 균질 정도를 분석하였고, EDS(Horiba Model Ex-250 X-max)를 통하여 원소 분포를 분석하였으며, XRD(X-ray diffraction; X' Pert-Pro MPD/Phillips)를 통한 상 조성 평가, 가시광 광원(400 nm<, 45W)에 의한 메틸오랜지 분해 정도를 UV-vis 분광기를 이용해 흡광도 측정법으로 광촉매 특성을 평가하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 WO3 분말은 PWE(Pulsed Wire Evaporation; (주)나노기술) 장비를 이용하여 W wire로부터 제조한 나노 분말을 300ºC/hr의 승온 속도로 900ºC에서 대기 분위기 가운데 1시간 동안 열처리 하여 자체 제작한 분말이다. TiO₂에 Ag를 코팅한 분말은 AgNO3(KOJIMA CHEMICALS CO., LTD, 99.9% 이상)를 출발 원료로 하여 환원침전법으로 1 wt%의 Ag를 TiO₂ 분말의 표면에 코팅하여 준비하였다. TiO₂와 WO₃분말의 혼합 비율은 0 vol%~100 vol%로 20 vol%의 간격으로 준비하였으며, 준비 방법은 유성볼밀법과 회전혼합법으로 하였다.
) 공정과 일반 혼합(magnetic stirring) 공정으로 혼합하여 분석하는 전반적인 실험 공정을 나타낸다. 본 실험에 사용된 WO3 분말은 PWE(Pulsed Wire Evaporation; (주)나노기술) 장비를 이용하여 W wire로부터 제조한 나노 분말을 300ºC/hr의 승온 속도로 900ºC에서 대기 분위기 가운데 1시간 동안 열처리 하여 자체 제작한 분말이다. TiO₂에 Ag를 코팅한 분말은 AgNO3(KOJIMA CHEMICALS CO.

성능/효과

1. TiO₂와 WO₃는 가시광에 대하여 낮은 광촉매 특성을 나타내었으나 이들 둘을 혼합하였을 경우에는 가시광에서 광촉매 효과가 향상되었다. 이는 WO3의 여기된 전자와 홀이 재결합하여 소멸되는 것이 아니라 여기된 전자가 첨가된 TiO₂로 이동하면서 여기 전자와 홀을 효과적으로 분리되었기 때문이다.
2. TiO₂와 WO₃의 혼합에 있어서 마그네틱 회전에 의한 혼합보다는 유성볼밀에 의해 혼합할 경우 응집된 분말이 효과적으로 분산되면서 두 분말이 균일하게 혼합되어 여기된 전자와 홀의 효과적인 분리를 통해 광촉매 효율 향상이 가능하였다.
3. Ag를 첨가한 경우는 그렇지 않은 경우에 비해 광촉매 효율이 향상되었는데 이는 Ag가 여기된 전자를 받아들임으로써 여기된 전자와 홀의 재결합을 효과적으로 저지시켰기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiO2는 어떤 광원에서 활성이 갖는가?	그러나 광 에너지의 대부분은 가시광 영역으로서 광원의 효과적인 활용을 위해서는 가시광에서 활성을 갖는 광촉매의 개발이 중요하다. 그러나 가장 일반적이고도 대표적인 광촉매인 TiO2는 광학적 안정성, 화학적 및 생물학적 불활성 뿐 아니라 경제성 및 친환경적인 소재로서 안정적으로 광촉매 성능을 발휘할 수 있어 넓은 분야에 걸쳐 응용되기 위해 연구되어 왔으나[5, 6] 자외선 광원에서만 활성을 갖기 때문에 활용에 제한을 받아 왔다.
	TiO2-WO3 복합화를 하는 이유는?	WO3는 밴드-갭 에너지가 작아쉽게 전자와 홀이 형성되지만 밴드-갭이 작아 쉽게 재결합하게 되어 광촉매 반응이 불가능하기에 TiO2-WO3 복합화에 대한 연구가 많이 진행되었다[12-14]. 그러나 여기에 TiO2를 첨가함으로써 전자 받게 역할을 하게 함으로써 WO3에서 여기된 전자를 받아 WO3의 홀과 효과적으로 분리시키고자 한 것이다. 또한 여기에 Ag를 첨가함으로써 여기된 전자를 받아 전자 분리 효과를 높여 광촉매 효율을 높이고자 한다[15, 16].
	WO3는 왜 광촉매 반응이 불가능한가?	본 연구에서는 가시광 영역에서 광촉매 활성도가 낮은 아나타제 TiO2와 밴드-갭 에너지가 작아 광촉매 활성도가 낮은 WO3의 혼합을 통하여 가시광에 대하여 활성을 갖는 광촉매를 제조하고자 한다. WO3는 밴드-갭 에너지가 작아쉽게 전자와 홀이 형성되지만 밴드-갭이 작아 쉽게 재결합하게 되어 광촉매 반응이 불가능하기에 TiO2-WO3 복합화에 대한 연구가 많이 진행되었다[12-14]. 그러나 여기에 TiO2를 첨가함으로써 전자 받게 역할을 하게 함으로써 WO3에서 여기된 전자를 받아 WO3의 홀과 효과적으로 분리시키고자 한 것이다.

참고문헌 (16)

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