선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 광촉매 효율을 극대화하기 위하여 TiO2 광촉매를 나노튜브의 형태로 제작한 후, 가시광 영역에서의 광반응성을 촉진시키고, 전자와 정공들의 재결합을 방지하여 광활성을 증대시키기 위하여, TiO2 광촉매 표면 부위에 질소를 도핑시키고, Ag 나노입자들을 분산시킨 다기능 TiO2/Ag 복합 광촉매를 제조했다. 또한 TiO2 광촉매의 표면특성의 변화에 따른 광촉매의 전기화학적 거동과 광촉매 효율 변화에 대해 조사를 실시했다.
제안 방법
- TiO2 나노튜브의 광전류 활성은 전류 전압곡선(cyclic voltammogram)과 광전류의 변화반응(photocurrent response)을 통하여 조사했다. 이때 전기화학적 측정을 위해서는 3극계(three-electrode system) 셀을 이용하였으며, 모든 전기화학적 측정은 potentiostat(CHI600C, USA) 장비를 이용하였다.
- TiO₂ 광촉매의 광반응 효율을 개선시키기 위하여, 양극산화 방식에 의해 TiO2 나노튜브를 제조 한 후, TiO2 나노튜브 내부로 N 도핑을 실시했으며, 시너지 상승효과를 위해 나노튜브 표면으로 Ag 나노입자를 형성시킨 TiO2 복합체를 제조하였다. 또한, 티타니아 나노튜브 복합체의 표면 특성 변화가 전기화학적 거동과 광촉매 효율에 미치는 영향에 대하여 조사를 실시했으며 결과는 아래와 같다.
- 6에 나타냈다. 광전류의 측정을 위해서 정전류 전압(open circuit potential)을 유지한 후 on-off 사이클 모드로 가시광을 조사했다.
- 나노튜브 형태의 TiO2의 광촉매 반응효율은 염료의 분해 효율을 통해 평가하였으며, 염료분해 반응을 측정하기 위해서는 양극산화에 의해 제조된 TiO2 (3 cm × 3 cm) 시편을 원통형 반응기(Φ = 5 cm, h = 7 mm)에 넣은 후, 0.038 µmole rhodamine B 용액(pH 4.884)을 첨가하고, 광촉매 종류에 따른 염료분해 효율을 조사했다.
- /Ag 복합 광촉매를 제조했다. 또한 TiO2 광촉매의 표면특성의 변화에 따른 광촉매의 전기화학적 거동과 광촉매 효율 변화에 대해 조사를 실시했다. 광촉매 효율은 염료분해 반응을 통해 평가 하였으며, 실험에 사용한 염료로서 rhodamine B를 사용하였다.
- 이후 결정화를 위하여 500℃에서 1시간 열처리를 실시하였다. 또한 TiO₂ 나노튜브 표면에 Ag 입자들을 형성시키기 위해서, TiO2 나노튜브를 0.2M AgNO₃ 용액에 침지시킨 후 5 min 동안 UV 램프(용량 20 W)를 조사한 후 세척, 건조를 실시했다.
- 1(d)를 통해 Ag 입자들은 표면뿐 아니라 튜브형태의 내부에도 형성되어 있음을 알 수 있었다. 또한 나노튜브 내부에 형성된 나노입자들이 Ag 금속입자인지를 좀 더 자세히 조사하기 위해 energy dispersion X-ray(EDX) 분석을 실시하고 그 결과를 Fig. 2에 나타냈다. TiO₂ 나노튜브의 단면에서 은, 티타늄, 산소 그리고 약간의 불순물에 대한 피크가 나타났으며, 이것은 Ag 입자가 TiO2나노튜브의 표면뿐 아니라 단면에서도 형성되어 있다는 것을 나타내고 있다.
- 또한 반응 용액으로부터 60 cm 위에 100W의 고압 수은등을 장치한 후 조사 시간에 따른 TiO₂의 광촉매 반응을 측정하였으며, 이때 1.85 mW/cm2 광량(UV LIGHT METER, Lutron UVA-365) 이 조사되었다.
- 또한 양극산화에 의해 생성된 TiO2 나노튜브 피막의 산화상태는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy, PHI 5700)를 통하여 관찰하였으며, 이때 XPS의 측정은 Mg Kα선을 X선 광원으로 사용하였고, 탄소의 1s(284.6 eV) 피크를 기준피크로 하여 10 torr의 압력에서 실시되었다.
- 복합체를 제조하였다. 또한, 티타니아 나노튜브 복합체의 표면 특성 변화가 전기화학적 거동과 광촉매 효율에 미치는 영향에 대하여 조사를 실시했으며 결과는 아래와 같다.
- 85 mW/cm2 광량(UV LIGHT METER, Lutron UVA-365) 이 조사되었다. 반응시간에 따른 rhodamine B의 분해 농도를 관찰하기 위하여 554 nm에서 자외선 분광 광도계(Unicam 8700)를 사용하여 흡광도의 변화를 측정하였으며, 이때 반응온도는 20℃ 가 유지되도록 하였다.
- 7은 여러 종류의 TiO₂ 광촉매를 이용하여, rhodamine B 염료의 분해 효율을 측정한 결과이다. 염료 분해 효율을 통해 광촉매 효율을 비교하기 위해, 양극산화 방식으로 제조된 TiO2 나노튜브, N이 도핑된 TiO₂ 나노튜브, 표면에 은 입자가 분포된 TiO2 나노튜브 그리고 표면에 은 입자가 분포된 N 도핑된 TiO2 나노튜브 등 4 종류의 TiO2 나노튜브 광촉매의 염료 분해효율을 조사했다.
- 제조된 TiO2 나노튜브 광촉매의 표면조직은 FE-SEM (Philips XL30 ESEM-FEG)을 통하여 관찰하였으며, 결정구조는 X-선 회절분석기(Phillips, Model PW1710)를 사용하여 측정하였다. 또한 양극산화에 의해 생성된 TiO2 나노튜브 피막의 산화상태는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy, PHI 5700)를 통하여 관찰하였으며, 이때 XPS의 측정은 Mg Kα선을 X선 광원으로 사용하였고, 탄소의 1s(284.
대상 데이터
- 또한 TiO2 광촉매의 표면특성의 변화에 따른 광촉매의 전기화학적 거동과 광촉매 효율 변화에 대해 조사를 실시했다. 광촉매 효율은 염료분해 반응을 통해 평가 하였으며, 실험에 사용한 염료로서 rhodamine B를 사용하였다.
- 본 실험에서 사용된 나노튜브 형태의 티타니아 광촉매는 일반적인 순수 티타늄 판(commercial grade, 99.6 wt%)을 탈지, 수세 등의 전처리를 실시한 후, 0.5 wt% NH4F, 5 wt% H2O 그리고 ethylene glycol의 혼합용액에서 30 V의 양극전압을 20분간 인가하여 제조하였다. 이 양극 산화 방식에 의해 제조된 TiO2 시편은 결정화를 통해 광촉매 효율을 높이기 위하여 500℃에서 1시간 열처리를 실시하였다.
- 외부에서 공급되는 광원으로는 LED 광원(LED illuminator, B&B Opto)을 이용했으며 내부필터를 이용하여 400 nm 이하의 광원은 제거된 상태로 사용했으며, 전기화학적 실험을 위해 전해액으로는 0.5 M K2SO4 용액을 사용하였다.
- 이때 전기화학적 측정을 위해서는 3극계(three-electrode system) 셀을 이용하였으며, 모든 전기화학적 측정은 potentiostat(CHI600C, USA) 장비를 이용하였다. 전기화학셀의 기준전극으로는 Hg/Hg2SO4, 상대전극으로는 백금전극을 이용했다. 특히 이러한 전극셀의 내부에는 석영 유리로 된 튜브를 연결하여, 외부에서 부하되는 광원이 작업 전극인 TiO2 나노튜브 표면에 도달 될 수 있도록 하였다.
성능/효과
- Fig. 4(a)의 wide scan의 경우, 질소가 도핑되고 Ag입자가 분산되어 있는 TiO₂ 튜브의 경우는, 순수한 TiO2 나노튜브에 비해서, C 1s, Ti 2p, O 1s의 피크 뿐 아니라 질소와 은을 나타내는 피크들이 나타났다. 특히 Fig.
- 1) 히드라진 용액의 침지방식을 통하여 질소가 도핑된 TiO2 나노튜브를 제조할 수 있었다. 이때 도핑된 질소 원소들은 XPS 분석을 통해 TiO2 격자 내부에서 침입형으로 존재 하는 것으로 나타났으며, 이러한 침입형 N원 소는 TiO2에너지 밴드갭을 좁게 만들기 때문에 가시광에서의 광효율을 증가 시켰으며 그 결과 높은 양극전류의 발생과 염료 분해 효율을 증가시켰다.
- 2) 나노튜브 표면에서 생성된 Ag 나노입자는 전자현미경과 XPS Ag3d 피크의 분석을 통하여, 주로 금속형태의 미세한 크기를 갖는 Ag입자 들이 형성되어 있어, 광촉매 효율과 반응상수를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 1 eV 이며, Ag 나노 입자의 크기에 따라서 약간의 차이가 나타난다고 보고되고 있다.22) 본 실험에서는 TiO₂ 나노튜브 표면에 존재하는 Ag 입자들과 관련된 Ag 3d 5/2와 Ag 3d3/2 의 결합에너지는 368.1과 373.9 eV로 나타났으며, 여러 연구에서 보고된 금속 Ag (Ago)입자들의 XPS 피크 위치와 비교적 잘 일치하고 있으며, 이 결과는 본 실험에서 제조된 TiO2 나노튜브 표면에서 형성된 Ag 원소는, Ag의 산화물 형태, 또는 Ag+ 이온의 형태로 존재하기 보다는 주로 금속형태의 Ag 입자로 형성되어 있음을 나타내고 있다. 따라서 본 실험에서 Ag가 석출된 TiO2/Ag 나노튜브를 제조할 경우, 대부분은 AgNO₃ 용액 중에서 존재하는 Ag+ 이온들의 Ag+ 반경(1.
- 3) Ag 입자들이 분산되고 N이 도핑된 TiO₂ 나노튜브의 경우, TiO2 광촉매 표면에서 광에 의해 발생된 전자들은 효율적으로 이동하여 광촉매 반응에 참여했기 때문에, 가장 높은 광반응 전류밀도와 염료분해율을 나타냈다.
- 4) Rhodamine B 염료의 분해반응에 대한 반응상수는 TiO2 나노튜브의 경우는 2.31 × 10−3min−1으로 나타났으며, 질소가 도핑된 티타니아 나노튜브의 경우, 반응상수가 3.34 × 10−3min−1으로 상승되었다.
- 31 × 10−3min−1으로 향상 되었다. TiO₂ 나노튜브의 표면으로 질소가 도핑되고 동시에 Ag 나노입자들이 분포하고 있는 경우는 광촉매 효율의 시너지 효과를 나타내고 있으며, 광촉매 반응상수가 5.79 × 10−3min−1으로 광촉매 효율과 염료분해 반응상수가 가장 증가한 것으로 나타났다.
- 그리고 Fig. 8로부터 TiO2 나노튜브의 표면으로 질소가 도핑되고 동시에 Ag 나노입자들이 분포하고 있는 경우는, 가시광 영역의 광반응 활성화뿐 아니라 전자와 정공의 재결합 방지를 통해 광촉매 효율의 시너지 효과를 나타내고 있으며 광촉매 반응상수가 5.79 × 10−3min−1으로 광촉매 효율과 염료분해 반응상수가 가장 증가한 것으로 나타났다.
- 35%의 분해효율을 나타냈다. 따라서 TiO2 나노튜브 광촉매는 N이 도핑된 경우와 Ag 나노입자들이 표면에 존재할 경우 광촉매 효과를 향상 시키는 것으로 나타났으며, 특히 두 방식 모두 실시된 경우 시너지 효과에 의해 매우 높은 반응효율을 나타냈다. 또한 이러한 TiO2 나노튜브 광촉매의 rhodamine B 염료의 분해반응에 대한 반응속도를 비교하기 위한, 광촉매의 반응상수는 다음과 같이 계산할 수 있다.
- 따라서 본 실험에서 Ag가 석출된 TiO2/Ag 나노튜브를 제조할 경우, 대부분은 AgNO₃ 용액 중에서 존재하는 Ag+ 이온들의 Ag+ 반경(1.26Å)은 Ti4+ 이온의 반경(0.69Å)에 비해 상당히 크므로, Ag+ 이온이 TiO2 격자 내부로 침입하여 존재하지 못하고, UV 조사됨에 따라, TiO2 나노튜브에서 발생되는 전자들에 의해 환원반응이 진행되면서 TiO2 표면에 Ag 금속 입자들이 형성되기 때문으로 사료된다.
- 이러한 TiO2 튜브를 구성하는 결정들의 분포는, 표면에 Ag 나노입자가 분산되어 있는 TiO2 (b) 의 경우와 N 도핑되고 Ag 나노입자가 분산되어 있는 TiO2 나노튜브 (c)의 경우 모두 커다란 변화가 없으나, Ag 나노 입자의 분포에 의해 Ag (200) 면에서 아주 약한 피크가 나타났다. 따라서 본 실험을 통해 제조된 나노튜브 시편들의 경우, TiO2 결정들의 조성에는 큰 차이가 나타나지 않기 때문에, 광촉매 효율들은 주로 N 도핑효과와 Ag 나노입자의 영향에 의해 크게 의존될 것이라 사료된다.
- 또한 TiO2 나노튜브의 표면에 Ag 나노입자들이 분산되어 존재할 경우, 염료 분해율에 대한 반응상수가 4.31 × 10−3min−1으로 향상되었다.
- 또한 TiO₂ 나노튜브의 표면에 Ag 나노입자들이 분산되어 존재할 경우, 염료 분해율에 대한 반응상수가 4.31 × 10−3min−1으로 향상 되었다.
- 는 일정한 반응시간(t)이 지난 후, 변화된 염료의 농도를 나타낸 다. 본 실험에서 rhodamine B 염료의 분해반응은 초기 상태에서 약간 빠르게 분해반응이 진행되는 경향이 나타났으나, 전반적으로 반응시간과 염료의 농도 변화율을 통해 반응상수를 계산할 수 있었다. 이러한 반응시간과 ln(Co/Ct)의 관계와 염료분해반응의 반응상수는 Fig.
- 3(a)에 나타냈다. 열처리된 TiO2 나노튜브는 대부분 아나타제(anatase) 결정과 약간의 루타일(rutile)형 결정이 혼합되어 나타나 있는 것을 확인했다. 또한 TiO₂ 튜브의 기저층에 존재하는 티타늄 금속에 의해 Ti 피크도 동시에 나타났다.
- 나노튜브를 제조할 수 있었다. 이때 도핑된 질소 원소들은 XPS 분석을 통해 TiO2 격자 내부에서 침입형으로 존재 하는 것으로 나타났으며, 이러한 침입형 N원 소는 TiO2에너지 밴드갭을 좁게 만들기 때문에 가시광에서의 광효율을 증가 시켰으며 그 결과 높은 양극전류의 발생과 염료 분해 효율을 증가시켰다.
- 31 × 10−3min−1으로 향상되었다. 이와 같이 염료의 분해 반응상수를 통하여, 질소 도핑과 Ag 나노 입자들의 표면 분포에 의해 광촉매의 효율성은 증가되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 예를 들면, 티타니아 촉매 내부로의 도핑을 통해 광활성을 촉진 시키거나,3,4) 표면에 귀금속의 나노입자를 침지 시키거나,5-7) 밴드갭이 좁은 특성의 반도체를 광촉매 표면에 침지시키는 커플링 방법 등이 연구되어 왔으나,8,9) 티타니아 광촉매를 다양한 산업 분야와 친환경 에너지 분야로 적절하게 활용하기 위해서는, 낮은 반응성과 낮은 양자효율의 문제점은 여전히 많은 개선이 필요한 부분이다. 이를 위해서 광촉매 내부에 존재하는 원소들 사이의 상호 작용을 통해, 광촉매의 활성을 증대시키기 위한 많은 연구가 진행되어야 할 뿐 아니라, 광촉매 효율을 높이기 위한 새롭고 다양한 합성방법이 개발되어야 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.