[논문]질소 도핑된 이산화티타늄의 가시광 광촉매 활성 연구

이서희; 이창용

doi:10.14478/ace.2017.1129

질소 도핑된 이산화티타늄의 가시광 광촉매 활성 연구
Visible Light Induced Photocatalytic Activity of N-doped TiO2 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.3, 2018년, pp.298 - 302

초록
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질소가 도핑된 이산화티타늄의 광촉매 특성을 알아보았다. 질소가 도핑된 이산화티타늄에 대하여 자외선 및 가시광선 분위기에서 메틸렌블루 광촉매 분해를 수행하였다. XPS 분석을 통해 제조한 $TiO_2$에서 질소(N)가 산소(O)와 치환되었음을 확인하였다. UV-Vis DRS 분석 결과 질소가 도핑된 무정형 $TiO_2$ 시료에서는 가시광선을 거의 흡수하지 않고 자외선을 흡수하는 반면 무정형/anatase 혼재 $TiO_2$ 시료의 경우 가시광선 흡수가 상당히 증가하였다. 질소가 도핑된 anatase $TiO_2$ 시료는 자외선 및 가시광선 조사에서 메틸렌블루 광분해 반응이 나타났다. 그러나 가시광선 조사에서 분해율은 자외선 조사의 분해율보다 낮았다. 무정형/anatase 혼재 $TiO_2$ 시료의 경우 자외선과 가시광선 조사에서 anatase $TiO_2$ 시료의 분해율보다 높았다. 이러한 결과는 anatase $TiO_2$ 시료에 비해 3배 정도 큰 무정형/anatase 혼재 $TiO_2$ 시료의 높은 표면적이 질소 도핑된 작은 anatase 입자와 관련이 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Photocatalytic properties of nitrogen doped titanium dioxide were investigated. Photocatalytic degradation of methylene blue under UV and visible light was carried out to characterize N-doped $TiO_2$. The result of XPS indicated that nitrogen atoms substitute for oxygen sites within the crystal structure of $TiO_2$. In the UV-Vis DRS spectra, N-doped amorphous $TiO_2$ absorbed UV light with little absorption of visible light, while the absorption of visible light of amorphous/anatase $TiO_2$ remarkably increased. Methylene blue photocatalytic degradation appeared by the irradiation of UV or visible light onto the N-doped anatase phase of $TiO_2$. However, the degradation rate of visible light was lower than that of UV light. The photocatalytic degradation rate of the amorphous/anatase $TiO_2$ sample was higher than that of the anatase $TiO_2$. These results indicate that the high surface area of amorphous/anatase $TiO_2$ sample, which was about three times larger than those of the anatase $TiO_2$ sample, may be related to small particles of N-doped anatase $TiO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 질소가 도핑된 TiO₂의 광촉매 특성을 질소가 도핑된 무정형 TiO₂와 anatase TiO₂를 비교하여 연구하였다. 무정형 TiO₂의 물리화학적 성질을 알아보기 위해 XRD, BET, XPS, UV-Vis DRS를 이용하여 특성분석을 하였다.

제안 방법

TiO2 시료에 대하여 광촉매능 측정에 많이 이용되는 메틸렌블루(C16H18N3SCl⋅3H2O, Wako사) 광분해 반응을 수행하였다.
TiO₂ 시료의 비표면적 측정은 Micromeritics사의 ASAP 2420 흡착장비를 이용하여 액체질소 온도(77 K)에서 등온선을 구하고 BJH 모델식으로 비표면적을 구하였다. TiO₂ 시료의 광학 흡수율 분석은 DRS (Perkin Elmer, Lambda 1050)를 이용하였다.
TiO₂ 시료에 대한 질소 도핑 여부를 확인하기 위하여 XPS (Karatos, AXIS NOVA)를 이용하였다. TiO₂ 시료의 비표면적 측정은 Micromeritics사의 ASAP 2420 흡착장비를 이용하여 액체질소 온도(77 K)에서 등온선을 구하고 BJH 모델식으로 비표면적을 구하였다. TiO₂ 시료의 광학 흡수율 분석은 DRS (Perkin Elmer, Lambda 1050)를 이용하였다.
실험 시작 직전,무광 안정화 직후, 광분해 과정 중 1 h 단위로 시료 3 mL를 채취하여 실린지 필터를 거른 후 UV-Vis 스펙트럼을 얻었다. UV-Vis 분석은 Shimadzu사의 UV-1800를 이용하였다. 메틸렌블루의 흡광도 측정은 665 nm 흡수피크의 흡광도를 측정기준으로 하였다.
메틸렌블루의 흡광도 측정은 665 nm 흡수피크의 흡광도를 측정기준으로 하였다. 광분해 활성을 자외선영역, 가시광선영역, 빛을 조사하지 않을 때와 비교하였다.
반응 시작 1 h 동안에는 빛을 조사하지 않은 상태에서 교반만으로 흡착 평형 상태를 유도하였다. 무광 안정화 과정이 끝나면 빛을 5 h 동안 조사하여 광분해 반응을 수행하였다. 실험 시작 직전,무광 안정화 직후, 광분해 과정 중 1 h 단위로 시료 3 mL를 채취하여 실린지 필터를 거른 후 UV-Vis 스펙트럼을 얻었다.
를 비교하여 연구하였다. 무정형 TiO₂의 물리화학적 성질을 알아보기 위해 XRD, BET, XPS, UV-Vis DRS를 이용하여 특성분석을 하였다. 반응실험으로 메틸렌블루를 대상으로 자외선과 가시광선 영역에서 광분해 반응을 실시하였다.
무정형 TiO₂의 물리화학적 성질을 알아보기 위해 XRD, BET, XPS, UV-Vis DRS를 이용하여 특성분석을 하였다. 반응실험으로 메틸렌블루를 대상으로 자외선과 가시광선 영역에서 광분해 반응을 실시하였다.
무광 안정화 과정이 끝나면 빛을 5 h 동안 조사하여 광분해 반응을 수행하였다. 실험 시작 직전,무광 안정화 직후, 광분해 과정 중 1 h 단위로 시료 3 mL를 채취하여 실린지 필터를 거른 후 UV-Vis 스펙트럼을 얻었다. UV-Vis 분석은 Shimadzu사의 UV-1800를 이용하였다.
질소가 도핑된 TiO₂의 결정구조 분석을 위해 XRD (Rigaku,MiniFlex 600)를 이용하였다. TiO₂ 시료에 대한 질소 도핑 여부를 확인하기 위하여 XPS (Karatos, AXIS NOVA)를 이용하였다.
질소가 도핑된 TiO₂의 광촉매 활성을 알아보기 위해 메틸렌블루 광분해 실험을 수행했다. Figure 5는 PT와 HT 시료의 자외선 및 가시광선 조사 상태와 무광 상태에서 메틸렌블루의 광분해율을 비교했다.
질소가 도핑된 무정형 TiO₂ 시료(PT), 무정형과 anatase 혼재 TiO₂ 시료(HT), anatase TiO₂ 시료(AT) 등 3 종의 시료 제조하고 자외선 및 가시광 영역에서의 광촉매 특성과 자외선 및 가시광 영역의 광촉매 활성을 알아보았다. 질소가 도핑된 TiO₂ 시료에 대한 XPS 분석 결과,N 1s의 결합에너지는 400 eV 이하로서 Ti-N의 결합은 치환결합으로 확인되었다.

대상 데이터

탈수한 hydrous TiO₂ 시료를 100 ℃에서 24 h 동안 건조하여 무정형 시료(PT)를 제조하였다. PT 시료를 300 ℃ (HT)와 400 ℃ (AT)에서 각각 2 h 동안 공기로 소성하여 최종적으로 3종의 질소 도핑된 TiO₂ 시료를 제조하였다. 한편, 질소가 도핑된 PT, HT, AT 시료와 질소가 도핑되지 않은 TiO₂ 시료의 자외선 및 가시광 영역에서의 광촉매 활성을 비교하기 위해 SigmaAldrich사의 anatase TiO₂ (code637254)를 비교 시료(RT)로 사용하였다.
출력은 6 W이고, 파장은 365 nm이었다. 가시광선 영역에서 사용한 램프는 남영전구사의 형광 램프로서, 제조사는 중국 Hangzhou LI-Tech사이다. 출력은 20 W인 주광색의 형광램프이다.
본 실험에 사용한 TiO₂ 시료는 암모니아수를 침전제로 사용한 Pathworks사의 hydrous TiO₂ suspension을 수차례 세척 및 탈수를 반복한 후 온도를 달리하여 소성한 것이다. 탈수한 hydrous TiO₂ 시료를 100 ℃에서 24 h 동안 건조하여 무정형 시료(PT)를 제조하였다.
O, Wako사) 광분해 반응을 수행하였다. 자외선 영역 실험에서 사용한 UV 램프는 Uvitec사의 UV hand lamp이다. 출력은 6 W이고, 파장은 365 nm이었다.
PT 시료를 300 ℃ (HT)와 400 ℃ (AT)에서 각각 2 h 동안 공기로 소성하여 최종적으로 3종의 질소 도핑된 TiO₂ 시료를 제조하였다. 한편, 질소가 도핑된 PT, HT, AT 시료와 질소가 도핑되지 않은 TiO₂ 시료의 자외선 및 가시광 영역에서의 광촉매 활성을 비교하기 위해 SigmaAldrich사의 anatase TiO₂ (code637254)를 비교 시료(RT)로 사용하였다.

이론/모형

의 결정구조 분석을 위해 XRD (Rigaku,MiniFlex 600)를 이용하였다. TiO₂ 시료에 대한 질소 도핑 여부를 확인하기 위하여 XPS (Karatos, AXIS NOVA)를 이용하였다. TiO₂ 시료의 비표면적 측정은 Micromeritics사의 ASAP 2420 흡착장비를 이용하여 액체질소 온도(77 K)에서 등온선을 구하고 BJH 모델식으로 비표면적을 구하였다.

성능/효과

무광 상태에서 메틸렌블루가 제거되는 것은 PT 및 HT 시료에 존재하는 무정형 TiO₂에 의한 흡착에 기인한다고 추측된다. HT 시료에 빛을 조사하면 자외선 영역에서는 99%, 가시광선 영역에서는 94%의 제거율을 보였다.
메틸렌블루의 광분해 반응 결과, 질소가 도핑된 TiO₂ 시료는 가시광선 영역에서 광촉매 활성을 나타냈다. HT 시료의 경우 무광 안정화 과정에서 50% 정도의 메틸렌블루 제거율을 보였으며, 빛 조사 후 광분해율은 AT 시료보다 높았다. 이러한 결과는 AT 시료보다 3배 정도 큰 HT 시료의 비표면적에서 anatase가 차지하는 비율이 매우 높기 때문으로 판단된다.
Figure 6(a)를 보면 무광 상태에서 AT 시료의 메틸렌블루 제거율은 10% 정도였다. 빛을 조사하면 AT 시료는 자외선 및 가시광 영역에서 각각 61%와 29%의 메틸렌블루의 광분해율을 보였다. HT 시료가 AT 시료와 비교하여 무광 상태에서의 메틸렌블루 제거율과 자외선 및 가시광 영역에서의 광분해 활성이 상대적으로 높은 것은 다음과 같이 설명될 수 있다.
Figure 6(b)에 나타낸 질소가 도핑되지 않은 RT 시료는 무광 안정화 과정에서 메틸렌블루가 거의 제거되지 않았다. 빛을 조사하면 RT 시료의 메틸렌블루 제거율은 자외선 영역에서 78%를 보였지만, 가시광선 영역에서는 9%를 나타냈다. 이러한 결과는 RT 시료의 경우 anatase 상이지만 질소가 도핑되지 않았기 때문으로 생각된다.
질소가 도핑된 TiO2 시료에 대한 DRS 분석 결과, 질소가 도핑된 TiO2 시료는 PT < HT < AT 시료 순으로 가시광선 영역에서 높은 흡광도를 보였다.
시료(AT) 등 3 종의 시료 제조하고 자외선 및 가시광 영역에서의 광촉매 특성과 자외선 및 가시광 영역의 광촉매 활성을 알아보았다. 질소가 도핑된 TiO₂ 시료에 대한 XPS 분석 결과,N 1s의 결합에너지는 400 eV 이하로서 Ti-N의 결합은 치환결합으로 확인되었다. 질소가 도핑된 TiO₂ 시료에 대한 DRS 분석 결과, 질소가 도핑된 TiO₂ 시료는 PT < HT < AT 시료 순으로 가시광선 영역에서 높은 흡광도를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiO2의 장점은 무엇인가?	광촉매 물질로는 TiO2, ZnO, WO3, CdS, SnO2, Fe2O3, CeO2 등이 알려져 있는데, 그 가운데 TiO2는 높은 광분해 효율, 저렴한 가격, 편리한 이용성, 낮은 독성 그리고 장시간 사용에도 화학적으로 안정하기 때문에 가장 많이 연구되어 왔다[4,6,7]. TiO2는 결정구조가 서로 다른 anatase, rutile, brookite 등 3종류가 대표적이며, 광촉매로 많이 사용되고 있는 것이 아나타제 TiO2이다[1].
	TiO2에 다양한 물질을 첨가하여 가시광선 영역에서의 광촉매 활성을 강화하는 이유가 무엇인가?	2 eV보다 높다[9]. TiO2는 자외선 영역 이상의 에너지를 가진 빛이 조사되어야만 광촉매 활성을 나타내기 때문에 산업 공정에 적용하는데 어려움이 있다[3,10].
	광촉매 산화법의 특징은 무엇인가?	최근에는 제거 효율이 높고 경제성도 우수한 광촉매 산화에 대한 연구가 활발하다[2]. 광촉매 산화법은 상온 및 상압에서 대부분의 오염물질을 분해할 수 있으며, 빛에너지를 이용하여 반응을진행시키므로 차세대 청정기술로 주목받고 있다[3-5].

참고문헌 (19)

M. K. Jung, A Study on the Synthesis of Metal Ion-doped $TiO_2$ Photocatalyst by Sol-Gel Method and Photocatalytic Degradation, MS Thesis, Sogang University (2009).
Y. G. Gang, Preparation of M-N- $TiO_2$ Photocatalysts and Their Photoactivity under Visible Light, MS Thesis, Myongji University (2010).
S. M. Kim, T. K. Yun, and D. I. Hong, Effect of rutile structure on $TiO_2$ photocatalytic activity, J. Korean Chem. Soc., 49, 567-574 (2009).
K. S. Jeong, A Study on the decomposition of water soluble dyes by UV/ $TiO_2$ , J. Environ. Sci., 12, 319-324 (2003).
R. Thiruvenkatachari, S. Vigneswaran, and I. S. Moon, A review on UV/ $TiO_2$ photocatalytic oxidation process, Korean J. Chem. Eng., 25, 64-72 (2008).

상세보기
D. Jung, Low temperature preparation and photocatalytic activity of $TiO_2$ -xNx, J. Korean Chem. Soc., 54, 120-124 (2010).

원문보기 상세보기
H. H. Pham and L. W. Wang, Oxygen vacancy and hole con- duction in amorphous $TiO_2$ , Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 541-550 (2015).

상세보기
M. C. Kimling, D. Chen, and R. A. Caruso, Temperature-induced modulation of mesopore size in hierarchically porous amorphous $TiO_2$ / $ZrO_2$ beads for improved dye adsorption capacity, J. Mater. Chem. A, 3, 3768-3776 (2015).

상세보기
M. Shalom, S. Dor, S. Ruhle, L. Grinis, and A. Zaban, Core/CdS quantum dot/shell mesoporous solar cells with improved stability and efficiency using an amorphous $TiO_2$ coating, J. Phys. Chem. C, 113, 3895-3898 (2009).

상세보기
H. Yin, Y. Wada, T. Kitamura, S. Kambe, S. Murasawa, H. Mori, T. Sakata, and S. Yanagida, Hydrothermal synthesis of nanosized anatase and rutile $TiO_2$ using amorphous phase $TiO_2$ , J. Mater. Chem., 11, 1694-1703 (2001).

상세보기
S. Kumar, A. G. Fedorov, and J. L. Gole, Photodegradation of ethylene using visible light responsive surfaces prepared from titania nanoparticle slurries, Appl. Catal. B, 57, 93-107 (2005).

상세보기
Y. Shen, T. Xiong, H. Du, H. Jin, J. Shang, and K. Yang, Phosphorous, nitrogen, and molybdenum ternary co-doped $TiO_2$ : preparation and photocatalytic activities under visible light, J. Sol-Gel Sci Technol., 50, 98-102 (2009).

상세보기
X. Chen and C. Burda, The electronic origin of the visible-light absorption properties of C-, N- and S-doped $TiO_2$ nanomaterials, J. Am. Chem. Soc., 130, 5018-5019 (2008).

상세보기
Y. Kim, B. C. Bai, and Y. S. Lee, Synthesis and photodecomposition of N-doped $TiO_2$ surface treated by ammonia, Appl. Chem. Eng., 23, 308-312 (2012).

상세보기
K. Elghniji, M. Ksibi, and E. Elaloui, Sol-gel reverse micelle preparation and characterization of N-doped $TiO_2$ : Efficient photocatalytic degradation of methylene blue in water under visible light, J. Ind. Eng. Chem., 18, 178-182 (2012).

상세보기
P. D. Cozzoli, A. Kornowski, and H. Weller, Low-temperature synthesis of soluble and processable organic-capped anatase $TiO_2$ nanorods, J. Am. Chem. Soc., 125, 14539-14548 (2003).

상세보기
A. E. H. Machado, K. A. Borges, T. A. Silva, L. M. Santos, M. F. Borges, W. A. Machado, B. P. Caixeta, S. M. Oliveira, A. G. Trovo, and A. O. T. Patrocinio, Applications of mesoporous or- dered semiconductor materials - Case study of $TiO_2$ , In: S. R. Bello (ed.). Solar Radiation Applications, 87-90, InTech, London, UK (2015).
C. D. Valentin, E. Finazzi, G. Pacchioni, A. Selloni, S. Livraghi, M. C. Paganini, and E. Giamello, N-doped $TiO_2$ : Theory and experiment, Chem. Phys., 339, 44-56 (2007).

상세보기
S. Sakthivel, M. Janczarek, and H. Kisch, Visible light activity and photoelectrochemical properties of nitrogen-doped $TiO_2$ , J. Phys. Chem. B, 108, 19384-19387 (2004).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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