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주형합성을 통한 메조포러스 TiO2 제조 및 실리카 메조포어 내부에서의 TiO2 상전이 거동 변화
Preparation of Mesoporous Titanium Oxides by Template Synthesis and Phase Transition of TiO2 inside Mesoporous Silica 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.261 - 268  

방경민 (전남대학교 화학공학과) ,  김영지 (전남대학교 화학공학과) ,  김승한 (과학영재학교 광주과학고등학교) ,  최예락 (과학영재학교 광주과학고등학교) ,  이인호 (과학영재학교 광주과학고등학교) ,  고창현 (전남대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 수열합성법과 주형합성법을 이용하여 메조포어를 지닌 $TiO_2$를 합성하였다. 수열합성법을 이용해서 anatase 구조의 메조포러스 $TiO_2$를 합성했다. Rutile 구조의 메조포러스 $TiO_2$를 제조하기 위해서 수열합성법으로 제조된 메조포러스 $TiO_2$$300^{\circ}C$부터 $700^{\circ}C$까지 소성시켰더니 $600^{\circ}C$부터 anatase에서 rutile 결정구조상전이가 일어났다. 하지만, 메조포어가 붕괴되었다. 메조포어을 지닌 $TiO_2$를 합성하기 위해서 메조포러스 실리카 KIT-6을 주형으로 사용하는 주형합성법을 사용하였다. 먼저 메조포어 내부에 $TiO_2$를 형성시키고 소성온도를 800, $900^{\circ}C$로 높여서 anatase에서 rutile로의 상전이 거동을 조사하였다. 수열합성을 통해 제조된 자유로운 상태의 메조포러스 $TiO_2$의 경우 $600^{\circ}C$에서 anatase에서 rutile로의 상전이가 일어났지만 제한된 공간인 메조포러스 기공 내부에 형성된 $TiO_2$의 경우 $800^{\circ}C$까지 가열하더라도 rutile구조로 상전이가 일어나지 않았고, $900^{\circ}C$로 소성시키자 일부의 anatase가 rutile로의 상전이가 일어나기 시작하였다. 이러한 상전이는 산소 빈자리의 형성에 의해서 일어나야 한다고 알려져 있지만 실리카 기공 내부에 형성된 $TiO_2$는 실리카 기공 표면이 산소 빈자리 형성을 방해해서 상전이가 억제되는 것으로 판단된다. $900^{\circ}C$의 높은 소성온도로 인해서 anatase와 rutile 구조가 섞여있으며 실리카 기공 내부에 형성된 $TiO_2$는 NaOH 수용액을 이용해서 주형인 KIT-6과 분리해서 메조포어를 지닌 $TiO_2$를 제조하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To prepare mesoporous $TiO_2$ ($meso-TiO_2$) with anatase and rutile crystal structures, hydrothermal and template synthesis were used. $Meso-TiO_2$ with anatase structure was obtained by hydrothermal synthesis. The crystal structure of $meso-TiO_2$ by hyd...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 anatase 혹은 rutile 결정구조를 지닌 메조포러스 TiO2를 합성하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해서 수열합성법과 주형합성법을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TiO2에는 어떤 결정구조가 있는가? TiO2에는 anatase, brookite, rutile의 3가지 결정구조가 있으며 각 결정구조에 따라 다른 특성을 지니고 있다. Anatase 결정구조에서 온도를 증가시키면 rutile결정구조로 변하므로 anatase결정구조보다 rutile결정구조가 온도에 대해 안전한 상태이다[10].
TiO2의 구조 중 anatase 결정구조에서 rutile 결정구조로의 상전이가 온도 조절을 통해 일어나는 이유는 무엇인가? Anatase 결정구조에서 온도를 증가시키면 rutile결정구조로 변하므로 anatase결정구조보다 rutile결정구조가 온도에 대해 안전한 상태이다[10]. Titanium 결정구조의 상전이는 산소 빈자리를 형성될 때 일어나게 된다[11,12]. 산소 빈자리가 형성되기 위한 여러 가지 조건들 중 높은 온도에서 산소빈자리가 형성되기 때문에 anatase 결정구조에서 rutile결정구조로 상전이가 일어나게 된다. 따라서 온도 조절을 통해서 anatase결정구조에서 rutile결정구조로 전환시킬 수 있다.
TiO2에 밴드갭 이상의 에너지를 지닌 빛을 조사하면 어떤 현상이 일어나는가? TiO2는 화학적 및 물리적 그리고 열적 안정성이 뛰어나 실생활에 많은 분야에 사용되어지고 있는 매우 유용한 무기화합물질이다. TiO2는 밴드갭 이상의 에너지를 지닌 빛(파장 400 nm 이하)을 조사하면 가전자대의 전자가 전도대로 전이가 일어나 TiO2의 표면에 전자와 홀이 생긴다. 홀에서는 수중의 수산화이온 혹은 공기 중의 산소와 반응하여 강력한 산화력을 지닌 OH라디칼을 생성하는 광촉매 산화반응이 일어난다. 유기 및 무기 오염물을 산화시켜 H2O, CO2같은 무해한 물질로 분해할 수 있는 위와 같은 반응을 이용하여 환경정화, 항균, 탈취에 사용되고 있다.
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참고문헌 (23)

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  22. W. B. Yue, Chamnan Randorn, P. S. Attidekou, Zixue Su, John T. S. Irvine, and W. Zhou, "Syntheses, Li Insertion, and Photoactivity of Mesoporous Crystalline $TiO_2$ ," Advanced Functional Materials, 19(17), 2826-2833(2009). 

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