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문제 정의
- 이러한 광촉매를 사용할 경우 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지므로, 일반 적으로 촉매의 지지체로 사용되는 honeycomb type의 지지체를 사용할 경우 반응이 이루어지는 비표면적이 면에만 해당 되기 때문에 반응면적이 낮은 문제점이 제시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 상기의 문제점을 보완하고자 다공성 금속 촉매 지지체(metal foam) 사용에 대한 연구를 수행하였다. 다공성 금속촉매 지지체는 3차원 기공구조를 가진 소재로, 넓은 비표면적을 이용하여 광촉매를 분산시키고 동시에 오염물질과 코팅면의 접촉면을 증가시켜 반응성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
제안 방법
- 귀금속의 경우 광촉매의 광활성 과정에서 발생된 전자와 정공을 효과적으로 분리하여 광분해 반응에 사용되도록 하여 전자와 정공의 재결합을 막아주는 역할로 알려져 있는 Pt를 사용하였다[14-16]. Pt의 함량은 TiO2 고형물 기준 0.1 wt%로고정하여 촉매를 제조하였으며, 앞선 실험에서 사용된 TiO2광촉매와 동일한 조건에서 열처리를 수행하였다.
- 귀금속의 경우 광촉매의 광활성 과정에서 발생된 전자와 정공을 효과적으로 분리하여 광분해 반응에 사용되도록 하여 전자와 정공의 재결합을 막아주는 역할로 알려져 있는 Pt를 사용하였다[14-16]. Pt의 함량은 TiO2 고형물 기준 0.1 wt%로고정하여 촉매를 제조하였으며, 앞선 실험에서 사용된 TiO2광촉매와 동일한 조건에서 열처리를 수행하였다.
- XPS 분석은 Thermo사의 Alpha-K을 사용하였으며, excitation source로써 Al Kα monochlomatic (1486.6 eV)를 사용하였다. 촉매를 약 100 ℃의 온도에서 24 h 건조하여 포함되어 있는 수분을 완전히 제거한 후 XPS 기기의 진공도를 10-6 Pa로 유지하기 위하여 표면 sputtering 및 etching을 하지 않고 하였다.
- 광촉매 산화 실험은 우선 대상 가스에 대하여 초기농도를 측정하기 위하여 공관에 희석가스(N2)와 유해가스를 주입하여 정상상태에 각 가스의 분석기 또는 검지관을 사용하여 초기농도를 측정하고, 습도계(Center310, G-won Hitech Co.)로 상대습도를 측정하였다.
- 이러한 광원의 직접 광분해 영향을 파악하기 위하여 254 nm 파장을 가진 UV lamp를 사용하여 본 실험에서 사용되는 오염 물질(C2H5OH (EtOH), H2S, CO)의 분해반응 실험을 실시하였다. 그 방법은 우선 코팅되지 않은 지지체로 직접 광분해 후 배출되는 미반응 물질을 측정하여 반응효율을 측정하였다.
- 이후 10 ℃ min -1의 승온속도로 관형로(tubular furnace)에서 원하는 온도로 상승시킨 후 그 온도에서 2 h 공기분위기에서 소성하여 소성촉매를 제조하였다. 또한 환원공정이 필요한 촉매의 경우 앞서 설명한 방법으로 코팅, 건조후 소성과정이 진행된 촉매를 다시, 10 ℃ min -1의승온속도로 관형로(tubular furnace)에서 원하는 온도로 상승 시킨 후 그 온도에서 2 h 동안 30% H2/N2 gas를 이용하여 환원시켜 제조하였다.
- 이후 10 ℃ min -1의 승온속도로 관형로(tubular furnace)에서 원하는 온도로 상승시킨 후 그 온도에서 2 h 공기분위기에서 소성하여 소성촉매를 제조하였다. 또한 환원공정이 필요한 촉매의 경우 앞서 설명한 방법으로 코팅, 건조후 소성과정이 진행된 촉매를 다시, 10 ℃ min -1의승온속도로 관형로(tubular furnace)에서 원하는 온도로 상승 시킨 후 그 온도에서 2 h 동안 30% H2/N2 gas를 이용하여 환원시켜 제조하였다.
- 먼저, 동일한 체적을 가지는 기본 세라믹 재질의 촉매 담체인 honeycomb과 metal foam 담체에 광촉매를 코팅하여, 코팅 상태를 확인하고자 SEM 분석을 수행하여 Figure 4에 나타내 었다. Figure 4에 나타나듯 honeycomb 또는 metal foam의 두가지 지지체에 TiO2의 코팅 표면이 균일하며 결정형을 나타내지 않음을 보이고 있다.
- 촉매를 약 100 ℃의 온도에서 24 h 건조하여 포함되어 있는 수분을 완전히 제거한 후 XPS 기기의 진공도를 10-6 Pa로 유지하기 위하여 표면 sputtering 및 etching을 하지 않고 하였다. 시료내에 존재하는 Pt, Ti, C, O 원소는 wide scanning spectrum 으로 분석하여 binding energy와 intensity를 확인하였다.
- 시편으로 입사된 전자가 방전되지 않을 경우를 대비해 시편을 탄소막의 진공 증착시켜 백금으로 전도성 코팅을 하여 측정하였다. 또한 SEM의 전자총, 경통과 시편실의 진공을 유지하기 위해서 9,63 × 10-5 Pa 진공도를 가진 유확산 펌프를 사용하였다.
- 앞선 실험을 통하여 다양한 지지체에 광촉매 TiO2를 코팅 하여 그에 따른 반응활성을 확인하였다. 가스별 반응활성을 비교하면, 가장 효율이 우수하였던 800 µm의 metal foam을 기준으로 H2S의 제거효율 100%, EtOH의 제거효율은 95% 이상의 매우 우수한 효율을 보였지만 CO의 경우 40% 미만의 낮은 제거효율을 보였다.
- 앞선 실험을 통하여 다양한 지지체에 광촉매 TiO2를 코팅 하여 그에 따른 반응활성을 확인하였다. 가스별 반응활성을 비교하면, 가장 효율이 우수하였던 800 µm의 metal foam을 기준으로 H2S의 제거효율 100%, EtOH의 제거효율은 95% 이상의 매우 우수한 효율을 보였지만 CO의 경우 40% 미만의 낮은 제거효율을 보였다.
- 이러한 환원처리의 광촉매 활성증진 인자를 확인하기 위하여 표면 valence state 특성을 XPS 분석으로 확인하여, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 이때, 소성촉매 및 환원촉매뿐만 아니라 광촉매 광반응에 의한 촉매 표면의 valence state의 변화를 확인하기 위하여 UV 조사를 수행한 촉매에 대해서도 XPS 분석을 수행하였다.
- 또한 직접적인 광분해되는 오염물질의 전환율을 배제함으로써 본 실험에서 사용되는 광촉매의 정확한 반응활성을 구할 수 있다. 이러한 광원의 직접 광분해 영향을 파악하기 위하여 254 nm 파장을 가진 UV lamp를 사용하여 본 실험에서 사용되는 오염 물질(C2H5OH (EtOH), H2S, CO)의 분해반응 실험을 실시하였다. 그 방법은 우선 코팅되지 않은 지지체로 직접 광분해 후 배출되는 미반응 물질을 측정하여 반응효율을 측정하였다.
- 또한 직접적인 광분해되는 오염물질의 전환율을 배제함으로써 본 실험에서 사용되는 광촉매의 정확한 반응활성을 구할 수 있다. 이러한 광원의 직접 광분해 영향을 파악하기 위하여 254 nm 파장을 가진 UV lamp를 사용하여 본 실험에서 사용되는 오염 물질(C2H5OH (EtOH), H2S, CO)의 분해반응 실험을 실시하였다. 그 방법은 우선 코팅되지 않은 지지체로 직접 광분해 후 배출되는 미반응 물질을 측정하여 반응효율을 측정하였다.
- 이에 본 절에서는 이러한 CO 제거 효율을 증진시키기 위하여 앞서 실험을 수행한 TiO2 광촉매에 귀금속을 담지하여 촉매를 제조하였으며, 제조된 촉매의 광촉매의 반응활성을 수행하여 Figure 9에 나타내었다.
- 또한, CO의 제거율도 증가하지 않음을 보였다. 이후 Pt/TiO2 촉매를 30 vol% H2/N2 가스를 이용한 환원처리를 통하여 촉매를 제조하여 광촉매 반응활성 실험을 수행하였다. 환원촉매의 반응활성은 환원처리를 수행하지 않은 Pt/ TiO2 소성촉매에 비하여 H2S와 EtOH의 경우 그 반응활성이 소폭 증가함을 보였으며, 특히 CO의 반응활성은 100%로 크게 증가된 반응활성을 나타냈다.
- 일반적으로 촉매반응에서는 space velocity가 촉매의 부피당 처리가스의 능력을 나타내는 index로 활용되지만, 광촉매의 경우 촉매의 표면반응이 주반응이기 때문에 촉매의 표면을 기준으로 하여 촉매의 표면적당 처리가스의 능력을 나타내는 surface velocity를 index로 활용하였다. 위와 같은 식을 통하여 Table 1에 나타낸 800 µm, 1,200 µm, 3,000 µm의 표면적을 계산하여 surface velocity를 도출한 결과 0.
- 앞선 방법으로 준비된 TiO2 및 Pt/TiO2혼합액을 앞서 제조된 코팅 첨가제와 isopropylalchol, 증류수 혼합액에 적하 및 교반하여 광촉매 용액을 제조하였으며 적하 및 교반 조건은 바인더의 제조법과 같다. 지지체에 광촉매 코팅은 pyrex 관내에 지지체를 수직으로 세운 후 하부에 밸브를 연결하여, 제조된 광촉매 용액을 pyrex 관내에 채워 놓은후 밸브와 연결된 정량펌프를 이용하여 일정량을 펌핑하여지지체를 코팅하였으며, 하강속도는 약 4 mm min -1으로 하였다. 이때 사용된 지지체는 다음 Table 1과 같은 조건의 지지체를 사용하였다.
대상 데이터
- 반응기 내의 가스의 주입은 MFC (mass flow controller)를 사용하였다. 광촉매 반응에 사용된 lamp는 Table 2에 나타낸 것처럼 주 파장이 254 nm인 lamp로는 GL20 (Sankyo Denki Co.)를 사용하였다. 수분의 경우 2중 jacket 형태의 bubbler에 공급되는 N2를 폭기하여 수분을 함유하게 함으로써 반응기에 수분을 공급되게 하였다.
- 시편으로 입사된 전자가 방전되지 않을 경우를 대비해 시편을 탄소막의 진공 증착시켜 백금으로 전도성 코팅을 하여 측정하였다. 또한 SEM의 전자총, 경통과 시편실의 진공을 유지하기 위해서 9,63 × 10-5 Pa 진공도를 가진 유확산 펌프를 사용하였다.
- 시편으로 입사된 전자가 방전되지 않을 경우를 대비해 시편을 탄소막의 진공 증착시켜 백금으로 전도성 코팅을 하여 측정하였다. 또한 SEM의 전자총, 경통과 시편실의 진공을 유지하기 위해서 9,63 × 10-5 Pa 진공도를 가진 유확산 펌프를 사용하였다.
- 촉매의 코팅용액 제조 방법은 다음과 같다. 순수 TiO2의 경우 Sol type의 STS-01 (Ishihara Co.)를 사용하였다. Pt/TiO2 촉매의 경우는 담지된 Pt 의 함량을 TiO2 담체의 무게를 기준으로 0.
- 의 각 오염물질에 대한 전환율을 측정 하여 그 결과를 Figure 5에 나타내었다. 실험에 사용된 honeycomb의 경우 100 cell와 200 cell의 honeycomb을 사용하였으며, 금속재질의 공극의 크기가 3,000 µm인 metal foam을 사용 하였다. 각각의 코팅촉매의 표면적을 BET를 이용하여 분석하여 그 값을 Table 1에 나타낸 결과, 허니컴의 경우 1.
- 의 각 오염물질에 대한 전환율을 측정 하여 그 결과를 Figure 5에 나타내었다. 실험에 사용된 honeycomb의 경우 100 cell와 200 cell의 honeycomb을 사용하였으며, 금속재질의 공극의 크기가 3,000 µm인 metal foam을 사용 하였다. 각각의 코팅촉매의 표면적을 BET를 이용하여 분석하여 그 값을 Table 1에 나타낸 결과, 허니컴의 경우 1.
- 다음으로는 정량된 지지체에 천천히 백금수용액을 혼합한다. 앞선 방법으로 준비된 TiO2 및 Pt/TiO2혼합액을 앞서 제조된 코팅 첨가제와 isopropylalchol, 증류수 혼합액에 적하 및 교반하여 광촉매 용액을 제조하였으며 적하 및 교반 조건은 바인더의 제조법과 같다. 지지체에 광촉매 코팅은 pyrex 관내에 지지체를 수직으로 세운 후 하부에 밸브를 연결하여, 제조된 광촉매 용액을 pyrex 관내에 채워 놓은후 밸브와 연결된 정량펌프를 이용하여 일정량을 펌핑하여지지체를 코팅하였으며, 하강속도는 약 4 mm min -1으로 하였다.
- 다음으로는 정량된 지지체에 천천히 백금수용액을 혼합한다. 앞선 방법으로 준비된 TiO2 및 Pt/TiO2혼합액을 앞서 제조된 코팅 첨가제와 isopropylalchol, 증류수 혼합액에 적하 및 교반하여 광촉매 용액을 제조하였으며 적하 및 교반 조건은 바인더의 제조법과 같다. 지지체에 광촉매 코팅은 pyrex 관내에 지지체를 수직으로 세운 후 하부에 밸브를 연결하여, 제조된 광촉매 용액을 pyrex 관내에 채워 놓은후 밸브와 연결된 정량펌프를 이용하여 일정량을 펌핑하여지지체를 코팅하였으며, 하강속도는 약 4 mm min -1으로 하였다.
- 광촉매 용액의 제조 및 코팅방법[12]은 다음과 같다. 우선 isopropylalchol (Samchun Co., Ltd), tetraethyl orthosilicate (98%, Acros organic Co.), dimethoxy dimethlsilane (95%, Aldrich Co.) 를 일정비율 혼합한 용액에 isopropylalchol과 증류수, 질산 등의 혼합액을 1 h 동안 적하시킨 후 2 h 동안 일정속도로 교반 하여 코팅 첨가제 용액을 제조하였다.
데이터처리
- 광촉매가 지지체 표면에 고분산된 정도를 조사하기 위하여 JEOL사의 JSM-6599F를 사용하여 Fe-SEM 분석을 수행 하였다.
- 광촉매가 지지체 표면에 고분산된 정도를 조사하기 위하여 JEOL사의 JSM-6599F를 사용하여 Fe-SEM 분석을 수행 하였다.
이론/모형
- 촉매의 비표면적 및 pore size 측정은 Micromeritics Co.의 ASAP 2010C를 사용하였으며 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 식을 이용하여 비표면적을 구하였으며, pore size distribution 은 Kelvin식을 통해 유체의 meniscus의 평균반경과 상대압력에서의 흡착층의 두께를 이용하여 세공의 크기를 계산하는 방법인 BJH (Barrett-Joyer-Hanlenda)법에 의하여 계산하였다. 이때 각각의 시료는 110 ℃에서 3 ~ 5 h 동안 진공상태로 degassing 한 후 분석하였다.
성능/효과
- 를 코팅 하여 그에 따른 반응활성을 확인하였다. 가스별 반응활성을 비교하면, 가장 효율이 우수하였던 800 µm의 metal foam을 기준으로 H2S의 제거효율 100%, EtOH의 제거효율은 95% 이상의 매우 우수한 효율을 보였지만 CO의 경우 40% 미만의 낮은 제거효율을 보였다.
- 를 코팅 하여 그에 따른 반응활성을 확인하였다. 가스별 반응활성을 비교하면, 가장 효율이 우수하였던 800 µm의 metal foam을 기준으로 H2S의 제거효율 100%, EtOH의 제거효율은 95% 이상의 매우 우수한 효율을 보였지만 CO의 경우 40% 미만의 낮은 제거효율을 보였다.
- 실험에 사용된 honeycomb의 경우 100 cell와 200 cell의 honeycomb을 사용하였으며, 금속재질의 공극의 크기가 3,000 µm인 metal foam을 사용 하였다. 각각의 코팅촉매의 표면적을 BET를 이용하여 분석하여 그 값을 Table 1에 나타낸 결과, 허니컴의 경우 1.24 m 2 L-1 ,1.85 m 2 L-1의 값이 측정되었으며, metal foam의 경우에는 1.13 m 2 L-1의 비표면적을 보였다. 이러한 비표면적에 따른 코팅촉매의 H2S, EtOH 및 CO에 대한 반응활성을 실험을 수행하여 Figure 5에 나타내었다.
- 실험에 사용된 honeycomb의 경우 100 cell와 200 cell의 honeycomb을 사용하였으며, 금속재질의 공극의 크기가 3,000 µm인 metal foam을 사용 하였다. 각각의 코팅촉매의 표면적을 BET를 이용하여 분석하여 그 값을 Table 1에 나타낸 결과, 허니컴의 경우 1.24 m 2 L-1 ,1.85 m 2 L-1의 값이 측정되었으며, metal foam의 경우에는 1.13 m 2 L-1의 비표면적을 보였다. 이러한 비표면적에 따른 코팅촉매의 H2S, EtOH 및 CO에 대한 반응활성을 실험을 수행하여 Figure 5에 나타내었다.
- 그 결과, 공극크기가 작아질수록 CO, EtOH, H2S 모든 가스에서 반응활성이 증가함을 확인하였다. 특히 800 µm와 1,200µm의 경우 H2S의 경우 차이가 매우 미미하였으며, EtOH와 CO 에서 3 ~ 10%의 활성차이를 보였으나, 3,000 µm의 공극을 지닌 metal foam의 경우 그 반응활성이 크게 감소함을 확인하였다.
- 이는 소성촉매와 비교하여 Pt0 및 Pt2+의 비율이 크게 증가한 형태이며, 이러한 결과는 30 vol% H2/N2 가스에 의하여 높은 온도에서 열처리를 통하여 표면 Pt가 환원되었기 때문으로 판단된다. 그리고 Pt/TiO2 환원촉매의 광반응에 의한 표면 Pt valence state의 변화는, Pt0 비율은 9.2%로 크게 증가하였으며, Pt2+의 비율은 57.2%, Pt4+의 비율은 33.6%로 일정량 감소함을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 Pt/TiO2 촉매의 Pt valence state가 반응활성의 영향인자임을 확인할 수 있었으며, 특히 Pt0형태가 증가할수록 CO의 반응활성이 증진됨을 확인할 수 있었다.
- 다양한 지지체를 이용한 광촉매 코팅 실험결과, 일반적으로 촉매 지지체로 사용되는 honeycomb과 metal foam의 경우, 동일한 조건에서 지지체 내부까지 UV 빛이 조사되는 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인하였다. 따라서, 광촉매의 경우 촉매 표면에 조사되는 빛의 양과, 촉매 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있는 구조가 반응활성에 큰 영향을 미친다.
- 동일한 조건의 UV 광원과, 지지체 구조 및 재질, 그리고 동일한 체적의 촉매를 이용하여 광촉매 광분해 반응을 수행한 결과, 촉매의 표면적이 더 큰 촉매에서 더욱 우수한 반응 활성을 보였으며, 이러한 실험을 통하여 광촉매의 경우 촉매의 체적보다는 반응할 수 있는 표면적에 의하여 반응활성에큰 영향을 미침을 확인하였다.
- 동일한 조건의 UV 광원과, 지지체 구조 및 재질, 그리고 동일한 체적의 촉매를 이용하여 광촉매 광분해 반응을 수행한 결과, 촉매의 표면적이 더 큰 촉매에서 더욱 우수한 반응 활성을 보였으며, 이러한 실험을 통하여 광촉매의 경우 촉매의 체적보다는 반응할 수 있는 표면적에 의하여 반응활성에큰 영향을 미침을 확인하였다.
- 이러한 반응활성의 차이는 앞서 언급했듯이, 일반적인 촉매의 경우 촉매의 비표면적이 커질수록 반응활성이 유리해 지지만, 광촉매를 사용할 경우 기본적으로 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지기 때문에 honeycomb을 지지체로 사용할 경우 반응이 이루어지는 빛이 조사되는 면이 적기 때문에 상대적으로 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있어 빛이 조사되는 면적이 더 넓은 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인 하였다. 따라서 광촉매의 경우 honeycomb 지지체 보다 많은 공극구조를 지니고 있는 metal foam 지지체가 반응에 유리함을 확인할 수 있었다.
- 1% 미만으로 매우 낮은 비율 나타내었다. 또한 광반응에 의한 Pt의 valence state의 변화를 확인한 결과 Pt2+의 비율이 39.5%에서 67.1%로 크게 증가함을 확인할 수 있었으며, 반대로 Pt4+에 해당하는 비율은 60.4%에서 32.8%로 크게 감소함을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 광반응에 의하여 촉매 표면의 Pt가 환원됨을 알 수 있었다.
- 1% 미만으로 매우 낮은 비율 나타내었다. 또한 광반응에 의한 Pt의 valence state의 변화를 확인한 결과 Pt2+의 비율이 39.5%에서 67.1%로 크게 증가함을 확인할 수 있었으며, 반대로 Pt4+에 해당하는 비율은 60.4%에서 32.8%로 크게 감소함을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 광반응에 의하여 촉매 표면의 Pt가 환원됨을 알 수 있었다.
- 이 두 반응을 비교하기 위해서는 광촉매가 있을 때 반응과 광촉매가 없는 반응을 비교함으로써 구분할 수 있다. 또한 직접적인 광분해되는 오염물질의 전환율을 배제함으로써 본 실험에서 사용되는 광촉매의 정확한 반응활성을 구할 수 있다. 이러한 광원의 직접 광분해 영향을 파악하기 위하여 254 nm 파장을 가진 UV lamp를 사용하여 본 실험에서 사용되는 오염 물질(C2H5OH (EtOH), H2S, CO)의 분해반응 실험을 실시하였다.
- 를 코팅한 촉매에 비하여 미량 효율이 감소함을 나타내었다. 또한, CO의 제거율도 증가하지 않음을 보였다. 이후 Pt/TiO2 촉매를 30 vol% H2/N2 가스를 이용한 환원처리를 통하여 촉매를 제조하여 광촉매 반응활성 실험을 수행하였다.
- 먼저, 반응활성의 증진을 보이지 않았던 Pt/TiO2 소성촉매의 경우 촉매의 표면 Pt의 valence state에서 Pt2+의 비율은 39.5% Pt4+의 비율은 60.4%로 나타났으며 Pt0에 해당하는 비율은 0.1% 미만으로 매우 낮은 비율 나타내었다. 또한 광반응에 의한 Pt의 valence state의 변화를 확인한 결과 Pt2+의 비율이 39.
- 먼저, 반응활성의 증진을 보이지 않았던 Pt/TiO2 소성촉매의 경우 촉매의 표면 Pt의 valence state에서 Pt2+의 비율은 39.5% Pt4+의 비율은 60.4%로 나타났으며 Pt0에 해당하는 비율은 0.1% 미만으로 매우 낮은 비율 나타내었다. 또한 광반응에 의한 Pt의 valence state의 변화를 확인한 결과 Pt2+의 비율이 39.
- 먼저, 오염물질에 따른 반응활성을 확인한 결과 H2S가 가장 높은 제거율을 보였으며, 그다음으로 EtOH, CO 순서로 낮은 제거율을 나타내었다. 특히 CO의 경우 모든 촉매에서 10% 미만의 매우 낮은 제거율을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과 촉매 담지량이 증가할수록 반응활성이 증가하였지만, 촉매 담지량의 증가량에 비하여 반응활성은 미량 증가 하였다. 따라서 촉매의 담지량과 반응활성의 선형적인 관계를 확인할 수 없었다.
- 실험 결과 촉매 담지량이 증가할수록 반응활성이 증가하였지만, 촉매 담지량의 증가량에 비하여 반응활성은 미량 증가 하였다. 따라서 촉매의 담지량과 반응활성의 선형적인 관계를 확인할 수 없었다.
- 앞 절에서의 실험을 통하여 광촉매의 지지체로 honeycomb 보다 metal foam의 형태의 지지체가 더 우수한 반응활성을 보임을 확인하였다. 이에 따라 metal foam의 구조적 특성이 반응활성에 미치는 영향을 확인하고자 metal foam을 Table 1에 나타나듯 공극의 크기가 800 µm, 1,200 µm, 3,000 µm로 각기 다른 공극크기의 metal foam을 지지체로 하는 광촉매를 제조 하여 반응활성을 수행결과를 다음 Figure 7에 나타내었다.
- 6%로 일정량 감소함을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 Pt/TiO2 촉매의 Pt valence state가 반응활성의 영향인자임을 확인할 수 있었으며, 특히 Pt0형태가 증가할수록 CO의 반응활성이 증진됨을 확인할 수 있었다. 이러한 Pt0는 Seo et al.
- 13 m 2 L-1를 보인 metal foam의 반응활성을 비교해본 결과 상대적으로 적은 비표면적을 보였던 metal foam에서 더 우수한 반응활성을 보였다. 이러한 반응활성의 차이는 앞서 언급했듯이, 일반적인 촉매의 경우 촉매의 비표면적이 커질수록 반응활성이 유리해 지지만, 광촉매를 사용할 경우 기본적으로 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지기 때문에 honeycomb을 지지체로 사용할 경우 반응이 이루어지는 빛이 조사되는 면이 적기 때문에 상대적으로 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있어 빛이 조사되는 면적이 더 넓은 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인 하였다. 따라서 광촉매의 경우 honeycomb 지지체 보다 많은 공극구조를 지니고 있는 metal foam 지지체가 반응에 유리함을 확인할 수 있었다.
- 환원촉매의 반응활성은 환원처리를 수행하지 않은 Pt/ TiO2 소성촉매에 비하여 H2S와 EtOH의 경우 그 반응활성이 소폭 증가함을 보였으며, 특히 CO의 반응활성은 100%로 크게 증가된 반응활성을 나타냈다. 이러한 반응활성 결과를 통해 Pt/TiO2 소성촉매에 비하여 Pt/TiO2 환원촉매에서 우수한 반응활성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 에 Pt를 첨가하여 환원공정을 거침으로써 해결할 수 있다. 이러한 반응활성의 증진의 영향을 확인하고자 촉매 표면의 valence state분석을 수행한 결과, 표면 Pt의 valence state의 상태가 Pt2+, Pt4+ 종으로만 존재할 경우 CO의 제거효율의 증진을 확인할 수 없었으며, Pt0 종의 생성 혹은 증가함에 따라 CO 제거 효율이 증진됨을 확인하였다. 따라서 Pt0종이 CO반응 활성 증진에 영향을 미치며, 이러한 Pt0의 경우 광촉매 TiO2에 Pt를 담지한 후 환원공정을 통하여 표면 Pt0종을 증가시킬 수 있다.
- 에 Pt를 첨가하여 환원공정을 거침으로써 해결할 수 있다. 이러한 반응활성의 증진의 영향을 확인하고자 촉매 표면의 valence state분석을 수행한 결과, 표면 Pt의 valence state의 상태가 Pt2+, Pt4+ 종으로만 존재할 경우 CO의 제거효율의 증진을 확인할 수 없었으며, Pt0 종의 생성 혹은 증가함에 따라 CO 제거 효율이 증진됨을 확인하였다. 따라서 Pt0종이 CO반응 활성 증진에 영향을 미치며, 이러한 Pt0의 경우 광촉매 TiO2에 Pt를 담지한 후 환원공정을 통하여 표면 Pt0종을 증가시킬 수 있다.
- 13 m 2 L-1를 보인 metal foam의 반응활성을 비교해본 결과 상대적으로 적은 비표면적을 보였던 metal foam에서 더 우수한 반응활성을 보였다. 이러한 반응활성의 차이는 앞서 언급했듯이, 일반적인 촉매의 경우 촉매의 비표면적이 커질수록 반응활성이 유리해 지지만, 광촉매를 사용할 경우 기본적으로 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지기 때문에 honeycomb을 지지체로 사용할 경우 반응이 이루어지는 빛이 조사되는 면이 적기 때문에 상대적으로 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있어 빛이 조사되는 면적이 더 넓은 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인 하였다. 따라서 광촉매의 경우 honeycomb 지지체 보다 많은 공극구조를 지니고 있는 metal foam 지지체가 반응에 유리함을 확인할 수 있었다.
- 특히 CO의 경우 모든 촉매에서 10% 미만의 매우 낮은 제거율을 확인할 수 있었다. 특히 100 cell와 200 cell의 honeycomb의 반응활성을 비교하면 200 cell 의 honeycomb이 100 cell honeycomb 보다 더 넓은 비표면적을 보였으며 그에 따라 상대적으로 우수한 반응활성을 보였다. 하지만 비표면적이 1.
- 그 결과, 공극크기가 작아질수록 CO, EtOH, H2S 모든 가스에서 반응활성이 증가함을 확인하였다. 특히 800 µm와 1,200µm의 경우 H2S의 경우 차이가 매우 미미하였으며, EtOH와 CO 에서 3 ~ 10%의 활성차이를 보였으나, 3,000 µm의 공극을 지닌 metal foam의 경우 그 반응활성이 크게 감소함을 확인하였다. 이러한 반응활성 실험을 수행하여 각 지지체의 surface velocity 에 따른 반응활성을 계산하여 Figure 8에 나타내었다.
- 그 결과, 공극크기가 작아질수록 CO, EtOH, H2S 모든 가스에서 반응활성이 증가함을 확인하였다. 특히 800 µm와 1,200µm의 경우 H2S의 경우 차이가 매우 미미하였으며, EtOH와 CO 에서 3 ~ 10%의 활성차이를 보였으나, 3,000 µm의 공극을 지닌 metal foam의 경우 그 반응활성이 크게 감소함을 확인하였다. 이러한 반응활성 실험을 수행하여 각 지지체의 surface velocity 에 따른 반응활성을 계산하여 Figure 8에 나타내었다.
- 특히 100 cell와 200 cell의 honeycomb의 반응활성을 비교하면 200 cell 의 honeycomb이 100 cell honeycomb 보다 더 넓은 비표면적을 보였으며 그에 따라 상대적으로 우수한 반응활성을 보였다. 하지만 비표면적이 1.24 m 2 L-1을 나타내었던 honeycomb과 상대적으로 낮은 비표면적인 1.13 m 2 L-1를 보인 metal foam의 반응활성을 비교해본 결과 상대적으로 적은 비표면적을 보였던 metal foam에서 더 우수한 반응활성을 보였다. 이러한 반응활성의 차이는 앞서 언급했듯이, 일반적인 촉매의 경우 촉매의 비표면적이 커질수록 반응활성이 유리해 지지만, 광촉매를 사용할 경우 기본적으로 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지기 때문에 honeycomb을 지지체로 사용할 경우 반응이 이루어지는 빛이 조사되는 면이 적기 때문에 상대적으로 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있어 빛이 조사되는 면적이 더 넓은 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인 하였다.
- 특히 100 cell와 200 cell의 honeycomb의 반응활성을 비교하면 200 cell 의 honeycomb이 100 cell honeycomb 보다 더 넓은 비표면적을 보였으며 그에 따라 상대적으로 우수한 반응활성을 보였다. 하지만 비표면적이 1.24 m 2 L-1을 나타내었던 honeycomb과 상대적으로 낮은 비표면적인 1.13 m 2 L-1를 보인 metal foam의 반응활성을 비교해본 결과 상대적으로 적은 비표면적을 보였던 metal foam에서 더 우수한 반응활성을 보였다. 이러한 반응활성의 차이는 앞서 언급했듯이, 일반적인 촉매의 경우 촉매의 비표면적이 커질수록 반응활성이 유리해 지지만, 광촉매를 사용할 경우 기본적으로 빛이 조사되는 부분에서만 반응이 이루어지기 때문에 honeycomb을 지지체로 사용할 경우 반응이 이루어지는 빛이 조사되는 면이 적기 때문에 상대적으로 지지체 내부까지 빛이 조사될 수 있어 빛이 조사되는 면적이 더 넓은 metal foam에서 우수한 반응활성을 보임을 확인 하였다.
- 이후 Pt/TiO2 촉매를 30 vol% H2/N2 가스를 이용한 환원처리를 통하여 촉매를 제조하여 광촉매 반응활성 실험을 수행하였다. 환원촉매의 반응활성은 환원처리를 수행하지 않은 Pt/ TiO2 소성촉매에 비하여 H2S와 EtOH의 경우 그 반응활성이 소폭 증가함을 보였으며, 특히 CO의 반응활성은 100%로 크게 증가된 반응활성을 나타냈다. 이러한 반응활성 결과를 통해 Pt/TiO2 소성촉매에 비하여 Pt/TiO2 환원촉매에서 우수한 반응활성을 보임을 확인할 수 있었다.
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