[논문]탄소나노튜브(CNT)의 첨가에 따른 TiO2의 광촉매 특성 변화 연구

여인철; 강인철

doi:10.4150/kpmi.2016.23.6.458

탄소나노튜브(CNT)의 첨가에 따른 TiO2의 광촉매 특성 변화 연구
Evaluation of TiO2 Photocatalytic Activity with Addition of Carbon Nanotube 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.6, 2016년, pp.458 - 465

여인철 (인천대학교 기계공학과) , 강인철 ((재)인천경제산업정보테크노파크 스포츠융합센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A $TiO_2$/CNT nanohybrid photocatalyst is synthesized via sol-gel route, with titanium (IV) isopropoxide and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as the starting materials. The microstructures and phase constitution of the nanohybrid $TiO_2$/CNT (0.005wt%) samples after calcination at $450^{\circ}C$, $550^{\circ}C$ and $650^{\circ}C$ in air are compared with those of pure $TiO_2$ using field-emission scanning electron microscopy and X-ray diffraction, respectively. In addition, the photocatalytic activity of the nanohybrid is compared with that of pure $TiO_2$ with regard to the degradation of methyl orange under visible light irradiation. The $TiO_2$/CNT composite exhibits a fast grain growth and phase transformation during calcination. The nanocomposite shows enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation in comparison to pure $TiO_2$ owing to not only better adsorption capability of CNT but also effective electron transfer between $TiO_2$ and CNTs. However, the high calcination temperature of $650^{\circ}C$, regardless of addition of CNT, causes a decrease in photocatalytic activity because of grain growth and phase transformation to rutile. These results such as fast phase transformation to rutile and effective electron transfer are related to carbon doping into $TiO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

TiO₂-CNT 복합체는 TiO₂를 합성하는 공정 중에 초음파 분산된 CNT를 첨가함으로써 합성하였다. TiO₂합성 분말과 CNT가 0.005wt% 혼합된 TiO₂-CNT 복합 분말에 대하여, 소결 온도에 따른 미세조직, 가시광원에 대한 메틸오렌지 분해능, 표면 결합에너지 등을 분석 비교함으로써 CNT의 첨가에 따른 효과에 대하여 연구하였다.

가설 설정

005wt%)의 이미지이다. (a)TiO₂(pure)의 경우 노란색을 띄고 있으나 CNT를 포함하는 (b)TiO₂+CNT(0.005wt%)는 어두운 회색을 띄고 있다. 이는 첨가된 CNT에 의해 색이 변한 것으로 보인다.
(pure)와 (b)TiO₂+CNT(0.005wt%)의 이미지이다. (a)TiO₂(pure)의 경우 노란색을 띄고 있으나 CNT를 포함하는 (b)TiO₂+CNT(0.
3) CNT를 함유한 TiO₂의 경우는 그렇지 않은 경우에 비하여 루타일로의 상변화 속도가 빠르게 진행되는데, 이는 CNT의 탄소가 TiO₂에 도핑(함유)되었기 때문이다.

제안 방법

-CNT 복합체를 합성하여 비교하였다. TiO₂-CNT 복합체는 TiO₂를 합성하는 공정 중에 초음파 분산된 CNT를 첨가함으로써 합성하였다. TiO₂합성 분말과 CNT가 0.
8시간이 지난 후 다시 상온으로 식힌 후 이온수를 (R=20) 넣고 90~100^oC에서 24시간 혼합 후 건조를 시켰다. 건조된 분말을 미세하게 분쇄 후 450^oC, 550^oC, 650^oC의 대기 분위기에서 2시간 하소처리 하여, 각각의 시료에 대하여 미세조직 분석(FE-SEM, FE-TEM), 표면 결합 에너지(XPS), 상분석(XRD)을 비롯한 가시광원에서의 메틸오렌지 분해능을 통한 광촉매 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 CNT의 첨가가 TiO₂의 광촉매 특성에 어떤 영향을 끼치는지, 졸-겔법을 이용하여 TiO₂와 TiO₂-CNT 복합체를 합성하여 비교하였다. TiO₂-CNT 복합체는 TiO₂를 합성하는 공정 중에 초음파 분산된 CNT를 첨가함으로써 합성하였다.
주사전자현미경(FE-SEM; SU-8010, Hitach), 투과전자현미경(FE-TEM; EM-2100F, JEOL), 광전자 분광기(Electron Spectroscopy For Chemical Analysis; K-Alpha, Thermo Scientific)를 이용하여 분말의 미세조직 및 표면화학 결합을 분석하였고, XRD(X-ray diffraction; X’ Pert-Pro MPD/Phillips)를 통한 상 조성 분석, 가시 광원(400 nm < , 45W)에 의한 메틸오렌지 분해 정도를 UV-vis 분광기를 이용한 흡광도 측정법으로 평가하였다.

성능/효과

CNT가 TiO₂ 응집체와 연결된 형태로 존재하는 것을 볼 때 CNT의 대부분은 TiO₂에 의해 둘러 싸여 있고, 일부 CNT가 돌출되어 발견된 것으로 판단된다. (b)TiO₂+CNT(0.005wt%) 역시 고배율로 분석한 결과 결정 격자(b-3)가 형성되어 있는 것을 확인 할 수 있으며, 약 8 nm 정도의 결정립 크기를 보이고 있다. 그림6(b-1)을 보면 CNT가 TiO₂ 응집체 내부 및 표면에 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
1) 졸-겔법으로 합성한 TiO₂와 TiO₂+CNT(0.005wt%)는 하소처리 전에도 아나타제 상을 가졌으며, 이의 결정립 크기는 약 5 nm, 8 nm로 매우 미세하였다. 이는 가시광원에 대한 메틸오렌지 분해능(광촉매 효율)을 나타냈으며, 특히 CNT를 함유하고 있는 경우 더 우수한 광촉매 효율을 나타냈다.
2) CNT를 포함하는 경우 그렇지 않은 경우와 비교해 더 우수한 광촉매 효율을 나타내는 것은 CNT의 유해물질 흡착 역할, CNT와 TiO₂의 결합에 의한 여기 전자-홀의 효과적인 분리로 인한 재결합을 저지함으로써 표면 반응할 수 있는 유효 전자와 홀의 숫자를 많게 할 수 있기 때문이다.
005wt%))의 하소처리 온도[(a)raw, (b)450^oC, (c)550^oC and (d)650^oC]에 따른 메틸오렌지의 농도 변화를 비교한 결과이다. 두 샘플 모두 하소 처리 전의 경우 우수한 광촉매 효율을 나타내고 있으며, 하소 처리 온도가 높을수록 광촉매 효율이 감소하는 현상을 나타내고 있다. 샘플 TiO₂(pure)와 TiO₂+CNT(0.
(a)TiO₂(pure)의 경우 미세한 입자들이 응집된 형태로 존재하였다. 이들에 대하여 고배율로 분석하였더니 결정 격자(a-3)를 이루고 있는 것을 확인할 수 있으며, 약 5 nm정도의 결정립 크기를 보이고 있었다. 한편, (b)TiO₂+CNT(0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CNT를 함유한 TiO2가 루타일로의 상변화 속도가 빠른 이유는?	3) CNT를 함유한 TiO2의 경우는 그렇지 않은 경우에 비하여 루타일로의 상변화 속도가 빠르게 진행되는데, 이는 CNT의 탄소가 TiO2에 도핑(함유)되었기 때문이다.
	탄소나노튜브의 특징은 무엇인가?	탄소나노튜브(Carbon-Nanotube; CNT)는 우수한 열전도율, 높은 비표면적 및 우수한 기계적, 전기적 특성 등으로 인하여 오랜 동안 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에 걸쳐 응용 연구가 진행되었다[5]. 특히 CNT는 비표면적이 커 유해물 흡착에 유리하고 TiO2와의 전자 이동이 가능한 에너지 준위를 갖고 있어 TiO2의 광촉매 특성 개선에 효과적인 복합 소재로 관심을 받고 있다[6, 7].
	CNT-TiO2 복합 광촉매의 가시광 영역에서의 광촉매 효율이 상당히 우수한 이유는 무엇인가?	그 원인에 대하여 다음과 같이 보고되고 있다. 첫째는 가시광에 의해 TiO2에서 여기된 전자가 CNT로 이동함으로써 여기된 전자와 여기된 홀의 재결합을 저지함으로써 광촉매 효율이 향상된다고 보고한다[10]. 두 번째는 가시광에 의해 CNT에서 전자가 여기된 후 그 전자들과 홀들이 각각 TiO2로 이동하여 재결합이 저지되어 광촉매 효율이 향상된다고 보고한다[11]. 셋째는 CNT와 TiO2가 화학적 결합을 하여 C-Ti-O 구조를 가져 밴드 갭 에너지가 작아짐으로 인하여 가시광원에 의해서도 쉽게 전자와 홀이 형성되기 때문이라고 보고하고 있다[12]. TiO2에 탄소 분말을 첨가할 경우 탄소 분말에 의한 유해물질 흡착 효과, 광촉매 분말들 간의 응집 방지 효과, 유해물질과의 유효 반응 면적 향상 등의 개선에 효과적이며[13, 14], 아나타제 TiO2의 열처리 중 루타일로의 상변화를 저지함으로써 광촉매 효율을 향상시키는 효과가 있다고 보고하고 있다[15].

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