[논문]가시광선하에서 황화물계 광촉매를 이용한 로다민 B의 광분해 반응기구에 대한 비교 연구

이승현; 정영재; 이종민; 김대성; 배은지; 홍성수; 이근대

doi:10.7464/ksct.2019.25.1.046

가시광선하에서 황화물계 광촉매를 이용한 로다민 B의 광분해 반응기구에 대한 비교 연구
Comparative Studies on Mechanism of Photocatalytic Degradation of Rhodamine B with Sulfide Catalysts under Visible Light Irradiation 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.1, 2019년, pp.46 - 55

이승현 (부경대학교 공과대학 공업화학과) , 정영재 (부경대학교 공과대학 공업화학과) , 이종민 (부경대학교 공과대학 공업화학과) , 김대성 (부경대학교 공과대학 공업화학과) , 배은지 (부경대학교 공과대학 공업화학과) , 홍성수 (부경대학교 공과대학 화학공학과) , 이근대 (부경대학교 공과대학 공업화학과)

초록
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CdS 및 CdZnS/ZnO를 침전법으로 제조하여 가시광선하에서의 로다민 B의 광분해 반응에 대한 광촉매로 이용하였다. 제조된 광촉매들은 X선 회절분석기와 UV-vis 확산반사 분광법 등으로 특성을 분석하였으며, 그 결과 원하는 결정구조를 지닌 광촉매들이 생성되었으며 또한 CdS 및 CdZnS/ZnO 두 가지 광촉매 모두 자외선뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛도 효율적으로 흡수함을 알 수 있었다. 여러 종류의 활성 화학종에 대한 포집제들을 첨가하면서 각각의 광촉매에 대한 활성을 조사하였으며, 특히 두 가지 촉매상에서의 반응기구 차이점에 중점을 두고 고찰하였다. 이때 $CH_3OH$, KI 및 p-benzoquinone을 각각 ${\cdot}OH$ 라디칼, 광여기 정공 그리고 ${\cdot}O_2{^-}$ 라디칼에 대한 포집제로 이용하였다. 각각의 광촉매상에서는 서로 다른 반응기구에 의해서 반응이 진행되는 것으로 나타났다. CdS 광촉매 반응에서는 ${\cdot}O_2{^-}$ 라디칼이 그리고 CdZnS/ZnO 광촉매 반응에 있어서는 광여기 정공이 중요한 역할을 하는 것으로 판단되며, 따라서 CdS와 CdZnS/ZnO 각각의 광촉매상에서는 발색단 골격의 탈알킬화 반응 및 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을 통하여 반응이 우선적으로 진행된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과들은 CdS, CdZnS 그리고 ZnO 각각 반도체들의 전도대와 가전자대의 띠끝 전위와 활성 화학종 생성에 대한 산화환원 전위의 차이에 주로 기인한 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

CdS and CdZnS/ZnO materials were prepared using precipitation method and used as photocatalysts for the photocatalytic degradation of rhodamine B (RhB) under visible light irradiation. The prepared photocatalysts were also characterized by XRD and UV-vis DRS. The results indicated that the photocatalysts with intended crystalline structures were successfully obtained and both the CdS and CdZnS/ZnO can absorb visible light as well as UV. The photocatalytic activities were examined with the addition of scavenger for various active chemical species and the difference of reaction mechanisms over the catalysts were discussed. The $CH_3OH$, KI and p-benzoquinone were used as scavengers for ${\cdot}OH$ radical, photogenerated positive hole and ${\cdot}O_2{^-}$ radical, respectively. The CdS and CdZnS/ZnO showed different photocatalytic degradation mechanisms of RhB. It can be postulated that ${\cdot}O_2{^-}$ radical is the main active species for the reaction over CdS photocatalyst, while the photogenerated positive hole for CdZnS/ZnO photocatalyst. As a result, the predominant reaction pathways over CdS and CdZnS/ZnO photocatalysts were found to be the dealkylation of chromophore skeleton and the cleavage of the conjugated chromophore structure, respectively. The above results may be mainly ascribed to the difference of band edge potential of conduction and valence bands in CdS, CdZnS and ZnO semiconductors and the redox potentials for formation of active chemical species.

주제어

표/그림 (6)

그림 Figure 1. XRD patterns of CdS and CdZnS/ZnO catalysts.
그림 Figure 2. UV-vis DRS of CdS and CdZnS/ZnO catalysts.
그림 Figure 3. UV-vis spectral change of rhodamine B (RhB) solution in the presence of photocatalyst (a) CdS and (b) CdZnS/ZnO under visible light irradiation.
그림 Figure 4. Effect of scavenger on the photocatalytic degradation of rhodamine B in the presence of photocatlyst (a) CdS and (b) CdZnS/ZnO under visible light irradiation.
그림 Figure 5. UV-vis spectral changes during photocatalytic degradation of RhB using CdS photocatalyst in the presence of sca-venger (a) CH3OH, (b) KI, and (c) p-benzoquinone.
그림 Figure 6. UV-vis spectral changes during photocatalytic degradation of RhB using CdZnS/ZnO photocatalyst in the presence of scavenger (a) CH₃OH, (b) KI, and (c) p-benzoquinone.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 로다민 B의 광분해 반응이 CdZnS/ZnO 혹은 CdS 광촉매상에서 진행될 때 각각 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 반응이 진행된다는 차이점에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 즉 CdS의 광부식에 대한 안정성을 증가시키기 위해 CdZnS를 형성하고 또한 광여기 전자와 정공의 재결합을 억제하기 위하여 ZnO와의 이종 구조물 생성을 생성시켜 제조한 CdZnS/ZnO가 광촉매로서의 안정성과 활성뿐만 아니라 반응기구에 있어서도 CdS와는 다른 결과를 나타냄으로부터, 광촉매 반응과정에서도 각각의 촉매상에서 서로 다른 활성 화학종이 주로 반응에 관여하는 것으로 추정할 수 있다.
이와 같은 반응기구의 차이점에 대한 연구를 위해 반응과정에서 광촉매 반응 과정에서 관여할 수 있는 여러 종류의 화학종에 대한 포집제들을 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다. 이 때 광촉매 반응에 일반적으로 관여하는 대표적인 화학종인 ∙OH 라디칼, 광여기 정공(photogenerated positivehole; h⁺) 그리고 ∙O₂^- 라디칼 각각에 대한 포집제로 CH₃OH, KI 및 p-benzoquinone (BQ)을 택하였으며, 반응진행 과정에 있어서는 반응용액내에서의 이들 포집제들의 농도를 0.
즉 CdS의 광부식에 대한 안정성을 증가시키기 위해 CdZnS를 형성하고 또한 광여기 전자와 정공의 재결합을 억제하기 위하여 ZnO와의 이종 구조물 생성을 생성시켜 제조한 CdZnS/ZnO가 광촉매로서의 안정성과 활성뿐만 아니라 반응기구에 있어서도 CdS와는 다른 결과를 나타냄으로부터, 광촉매 반응과정에서도 각각의 촉매상에서 서로 다른 활성 화학종이 주로 반응에 관여하는 것으로 추정할 수 있다. 이와 같은 연구를 위해 반응과정에서 광촉매 반응 과정에서 관여할 수 있는 여러 종류의 활성 화학종(active chemicalspecies)에 대한 포집제(scavenger)들을 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다.

가설 설정

Figure 3. UV-vis spectral change of rhodamine B (RhB) solution in the presence of photocatalyst (a) CdS and (b) CdZnS/ZnO under visible light irradiation.

제안 방법

5S의 조성을 지닌 황화물 그리고 CdZnS:ZnO = 1:4의 비율을 지닌 화합물을 광촉매로 택하였으며, 이는 이와 같은 형태의 조성을 지닌 광촉매에서 밴드갭의 넓이와 전도대의 위치가 적절하여 광촉매 활성이 가장 우수한 것으로 알려져 있기 때문이다[20]. CdZnS/ZnO 제조에 있어서는먼저 ZnO를 제조하였으며, 이 때 80 ℃의 온도를 유지하면서 교반되고 있는 0.2 M Zn(NO₃)₂∙6H₂O 용액에 2 M 농도의 NaOH를 가하여 전체 용액의 pH가 8이 될 때까지 조절하였다. 그리고 침전물인 흰색의 Zn(OH)₂를 얻고 약 30 min 동안 숙성한 뒤, 원심분리하여 침전물을 회수한 후 100 ℃에서 24h 건조시켜 최종적으로 ZnO를 제조하였다[21].
광촉매 실험에는 광원 방향으로 석영창(quartz window)을 장착한 100 mL 크기의 Pyrex 재질 광촉매 반응기를 제작하여 사용하였으며, 광촉매의 농도는 3 g L^-1로 하고 반응물인 로다민 B의 농도는 10-5 mol L^-1로 설정하여 실험을 진행하였다. 그리고 광원으로는 300 W 제논램프를 사용하였으며, 이 때 420 nm 필터를 사용하여 자외선 영역의 빛을 차단하고 가시광선 영역 하에서 광촉매 실험을 진행하였다.
또한 광반응을 시작하기 전에 반응물의 흡탈착 평형 조성을 위해 광이 조사되지 않는 조건하에서 광촉매와 반응물질을 포함한 용액을 30 min 동안 교반한 다음, 광촉매 반응을 시작하였다. 광촉매반응 도중에는 반응용액을 자석 교반기로 교반하였고, 반응물을 일정 시간 간격으로 채취하여 분광광도계(Optizen POP)를 이용하여 분석하였다. 이때 로다민 B가 최대 흡수강도를 나타내는 554 nm에서의 흡광도를 측정하여 반응시간에 따른 반응물의 농도 변화를 구하였다.
그리고 침전물인 흰색의 Zn(OH)₂를 얻고 약 30 min 동안 숙성한 뒤, 원심분리하여 침전물을 회수한 후 100 ℃에서 24h 건조시켜 최종적으로 ZnO를 제조하였다[21]. 그 다음 얻어진 ZnO를 일정량 채취한 후, 1:1의 비로 혼합된 0.2 M Zn(NO₃)₂∙6H₂O 와 0.2 M Cd(NO₃)₂∙4H₂O 혼합 용액에 첨가하고 침전제로 과량의 0.2 M Na₂S∙9H₂O를 가하여 침전물을 얻었다. 이때 반응온도는 80 ℃를 유지하였으며 반응 후 생성된 화합물에 대해 약 30 min 동안의 숙성 및 원심분리 과정을 거쳐 침전물을 회수한 다음 100 ℃에서 24 h 건조시켜 최종적으로 CdZnS/ ZnO 광촉매를 얻었다.
로 설정하여 실험을 진행하였다. 그리고 광원으로는 300 W 제논램프를 사용하였으며, 이 때 420 nm 필터를 사용하여 자외선 영역의 빛을 차단하고 가시광선 영역 하에서 광촉매 실험을 진행하였다. 또한 광반응을 시작하기 전에 반응물의 흡탈착 평형 조성을 위해 광이 조사되지 않는 조건하에서 광촉매와 반응물질을 포함한 용액을 30 min 동안 교반한 다음, 광촉매 반응을 시작하였다.
이때 로다민 B가 최대 흡수강도를 나타내는 554 nm에서의 흡광도를 측정하여 반응시간에 따른 반응물의 농도 변화를 구하였다. 그리고 반응기구 추론을 위해 필요시에는 반응을 시작하기 전의 광촉매 반응에 관여할것으로 예상되는 여러 종류의 활성 화학종에 대한 포집제들을 반응용액에 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다.
대표적인 황화물계 광촉매인 CdS 그리고 광촉매로서의 안정성과 활성 증가를 위해 제조한 CdZnS/ZnO를 이용하여 가시광선하에서의 로다민 B의 광분해 반응에 대한 광촉매 활성을 조사하였으며, 특히 이 두 가지 촉매상에서의 반응기구 차이점에 중점을 두고 고찰하였다. 이와 같은 광촉매 반응기구를 보다 자세히 규명하기 위해 광촉매를 이용한 유기 화합물의 광분해 반응에 일반적으로 관여하는 대표적인 화학종인 ∙OH 라디칼, 광여기 정공 그리고 ∙O₂^- 라디칼에 대한 포집제를 반응 용액에 첨가하고 그 영향을 조사하였으며, 그 결과 CdS 및 CdZnS/ZnO 두 가지 광촉매에서 서로 다른 결과가 나타남을 알 수 있었다.
본 연구에서 사용한 CdS 및 CdZnS/ZnO 광촉매들은 이미 문헌에 발표된 것과 유사한 방법으로 제조하였다[19]. 먼저 CdS 광촉매의 제조과정을 간략하게 보면, 0.
2 M Na₂S 용액을 천천히 가한 후, 1 h 이상 계속적으로 교반하면서 침전물을 얻는다. 얻어진 침전물에 대해 증류수 및 에탄올을 이용하여 수차례 세척한 다음, 원심분리하여 최종 침전물을 얻었다. 이침전물을 90 ℃에서 12 h 건조하여 CdS를 제조하였다.
이와 같은 반응기구의 차이점에 대한 연구를 위해 반응과정에서 광촉매 반응 과정에서 관여할 수 있는 여러 종류의 화학종에 대한 포집제들을 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다. 이 때 광촉매 반응에 일반적으로 관여하는 대표적인 화학종인 ∙OH 라디칼, 광여기 정공(photogenerated positivehole; h⁺) 그리고 ∙O₂^- 라디칼 각각에 대한 포집제로 CH₃OH, KI 및 p-benzoquinone (BQ)을 택하였으며, 반응진행 과정에 있어서는 반응용액내에서의 이들 포집제들의 농도를 0.001M로 조절하여 실험을 진행하였다[30,31].
광촉매반응 도중에는 반응용액을 자석 교반기로 교반하였고, 반응물을 일정 시간 간격으로 채취하여 분광광도계(Optizen POP)를 이용하여 분석하였다. 이때 로다민 B가 최대 흡수강도를 나타내는 554 nm에서의 흡광도를 측정하여 반응시간에 따른 반응물의 농도 변화를 구하였다. 그리고 반응기구 추론을 위해 필요시에는 반응을 시작하기 전의 광촉매 반응에 관여할것으로 예상되는 여러 종류의 활성 화학종에 대한 포집제들을 반응용액에 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다.
제조된 촉매들의 결정구조를 조사하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffractometer, XRD; Philips X’pert diffractometer/Cu Kα radiation)를 이용하여 2θ = 10 ~ 80o 범위에서 결정각을 확인하였다.

이론/모형

범위에서 결정각을 확인하였다. 또한 제조된 촉매들의 광흡수 특성을 알아보기 위해서는 UV-vis 확산반사 분광법(UV-vis diffuse reflectance spectroscopy, UV-vis DRS; Varian Cary 100)을 사용하였다.

성능/효과

여기서 볼 수 있듯이 실제 광촉매 반응이 진행되기 전에 광조사가 되지 않은 조건하에서도 광촉매 표면에의 반응물 흡착에 의해 554 nm의 피크가 일부 감소하는 것을 볼 수 있다. 먼저 Figure 3(a)의 CdS 경우를 보면 광촉매 반응과정에서 생성물들의 최대 흡수파장의 단파장쪽 옮김 현상이 크게 나타남을 볼 수 있고, 따라서 CdS 광촉매 표면상에서 로다민 B는 주로 탈알킬화 반응기구를 통해 분해 반응이 우선적으로 진행된다는 것으로 알 수 있다. 반면에 Figure 3(b)의 CdZnS/ZnO 경우에 있어서는 반응 도중에 생성물들의 흡수파장의 단파장쪽 옮김 현상이 거의 관측되지 않음으로부터, CdZnS/ZnO 촉매상의 로다민 B 광분해 반응은 콘쥬케이트 구조의 절단 과정에 의해 우선적으로 진행된다는 것을 볼 수 있다.
먼저 Figure 3(a)의 CdS 경우를 보면 광촉매 반응과정에서 생성물들의 최대 흡수파장의 단파장쪽 옮김 현상이 크게 나타남을 볼 수 있고, 따라서 CdS 광촉매 표면상에서 로다민 B는 주로 탈알킬화 반응기구를 통해 분해 반응이 우선적으로 진행된다는 것으로 알 수 있다. 반면에 Figure 3(b)의 CdZnS/ZnO 경우에 있어서는 반응 도중에 생성물들의 흡수파장의 단파장쪽 옮김 현상이 거의 관측되지 않음으로부터, CdZnS/ZnO 촉매상의 로다민 B 광분해 반응은 콘쥬케이트 구조의 절단 과정에 의해 우선적으로 진행된다는 것을 볼 수 있다.
S 형태의 화합물에서 Cd 혹은 Zn의 함량이 증가하면 일반적으로 CdS 혹은 ZnS의 특성피크들이 각각 나타나는 것으로 보고되고 있다[26]. 그러므로 Figure 1에서 볼 수있듯이 본 연구에서 제조한 CdZnS/ZnO 화합물 내의 Cd_0.5Zn_0.5S는 CdS와 ZnS의 단순한 혼합물이 아니고 고용체 형태의 화합물을 구성하고 있는 것을 추측할 수 있으며, 또한 넓은 폭의 피크가 관찰됨으로부터 작은 크기의 입자들로 구성된 것임을 알 수 있다[25].
반면에 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을 통하여 로다민 B의 분해반응이 우선적으로 진행될 경우에는 반응 도중 단파장쪽 옮김 현상이 거의 관찰되지 않고 554 nm 근처의 흡광도가 계속적으로 감소하게 된다. 그러므로 이러한 결과들로부터 CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응과정에서 생성되는 ∙OH 라디칼과 광여기 정공은 전체반응속도에는 어느 정도 영향을 미칠 수도 있으나 반응경로에는 큰 영향을 미치지 않으며, 반면에 반응과정에서 생성되는∙O₂^- 라디칼은 전체 반응경로를 결정하는 데에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과들을 통해, CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응은 발색단 골격의 탈알킬화 반응에 의해서 우선적으로 진행되며, 특히 이때 반응과정에서 생성되는 화학 활성종중의 하나인 ∙O₂^-라디칼이 발색단 골격의 탈알킬화 반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 추정할 수 있다.
여기서 광촉매 반응과정에 관여하는가장 대표적인 반응성 산소 화학종으로는 ∙OH 또는 ∙O₂^- 등을 들 수 있다. 그리고 앞서 언급한 로다민 B의 광분해 반응에대해 CdZnS/ZnO 광촉매를 적용한 결과를 보면, CdZnS/ZnO는 CdS와는 서로 상이한 촉매 반응성을 나타내며 특히 반응진행 과정에서 촉매의 광부식 현상이 나타나지 않는 높은 안정성을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 로다민 B의 광분해 반응에 대한 두 가지의 반응기구중, 발색단 골격의 탈알킬화 반응이 우선적으로 진행되는 CdS와는 달리 CdZnS/ZnO 광촉매 상에서는 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정에 의해 반응이 주로 진행된다는 것을 볼 수 있다[15].
이로부터 본 연구에서는 CdS 혹은 CdZnS/ZnO 광촉매상에서 로다민 B의 광분해 반응이 진행될 때 각각 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 반응이 진행된다는 것을 알 수 있다. 따라서 CdS의 광부식에 대한 안정성을 향상시키기 위해 CdZnS 형태의 고용체를 생성시키고 또한 광여기 전자와 정공의 재결합을 억제하기 위하여 ZnO와의 이종 구조물을 형성시켜 제조한 CdZnS/ZnO가 광촉매로서의 안정성뿐만 아니라 반응기구에 있어서도 CdS와는 다른 결과를 나타냄으로부터, 각각의 촉매상에서의 광촉매 반응과정에서도 서로 다른 활성 화학종이 주로 반응에 관여하는 것으로 예측할 수 있다.
그리고 ∙O₂^- 라디칼에 대한 포집제인 BQ를 첨가한 경우에는 반응속도가 감소한것을 볼 수 있으며, 이는 앞에서 언급한 바와 CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 분해반응에 중요한 역할을 하는 것으로 판단되는 O₂^- 라디칼이 제거됨에 따라 반응속도가 감소한 것으로 생각된다. 따라서 이러한 결과들로부터 CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응에는 ∙O₂^-라디칼이 가장 중요한역할을 하는 것으로 판단된다.
이들 피크를 보다 자세히 살펴보면 2θ = 31.7°, 34.4°, 36.2° 등에서 나타나는 wurtzite ZnO의 (100), (002), (101)에 해당하는 특성피크(JCPDS 05-0664) 임을 확인할 수 있고, 따라서 본 연구에서 제조된 CdZnS/ZnO 광촉매 화합물내의 ZnO는 wurtzite 구조를 지니고 있음을 알 수 있다.
Figure 2에서 보면 본 연구에서도 제조된 CdZnS/ZnO 광촉매의 광 흡수단도 CdS와 ZnS의 광 흡수단 사이의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 UV-vis 확산반사 분광법의 측정 결과로부터 본 연구에서 제조된 CdS와 CdZnS/ZnO 광촉매는 모두 가시광선 영역의 빛을 잘 흡수할 수 있음을 확인할 수 있었고, 특히 CdS의 경우가 상대적으로 다소 넓은 파장 영역의 가시광선을 보다 효율적으로 흡수할 수 있음을 알 수 있다.
이 때 Figure 6(a)와 (c)의 결과, 즉 ∙OH 라디칼과 ∙O₂^- 라디칼에 대한 포집제인CH₃OH 와 BQ를 반응용액에 첨가한 경우는 아무런 포집제를 첨가하지 않은 경우(Figure 3(b))와 유사한 UV-Vis 흡수 스펙트럼 변화를 나타내고 있음을 관찰할 수 있고, 그리고 Figure 6(b)의 광여기 정공 포집제인 KI를 첨가한 경우를 보면 반응시간에 따른 흡광도 변화가 상대적으로 작음을 알 수 있다.이러한 결과들로부터 CdZnS/ZnO 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응에서 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응기구를 통해서 전체 반응이 우선적으로 진행된다는 것을 알 수 있으며, 이 때 ∙OH 및 ∙O₂^- 라디칼은 전체 반응에 큰 영향을 미치지 않으며 반면에 광여기 정공이 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 반응에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 유추할 수있다.
이로부터 본 연구에서는 CdS 혹은 CdZnS/ZnO 광촉매상에서 로다민 B의 광분해 반응이 진행될 때 각각 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 반응이 진행된다는 것을 알 수 있다. 따라서 CdS의 광부식에 대한 안정성을 향상시키기 위해 CdZnS 형태의 고용체를 생성시키고 또한 광여기 전자와 정공의 재결합을 억제하기 위하여 ZnO와의 이종 구조물을 형성시켜 제조한 CdZnS/ZnO가 광촉매로서의 안정성뿐만 아니라 반응기구에 있어서도 CdS와는 다른 결과를 나타냄으로부터, 각각의 촉매상에서의 광촉매 반응과정에서도 서로 다른 활성 화학종이 주로 반응에 관여하는 것으로 예측할 수 있다.
이상의 결과들을 종합해보면, 가시광선하에서 CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응에 있어서는 먼저 감광반응에 의해 광촉매 표면에 흡착한 염료가 먼저 가시광선에 의해 여기된 다음 여기된 전자들이 광촉매로 전달된 후 염료들이 반응과정에서 생성되는 화학 활성종중의 하나인 ∙O₂^-라디칼과 반응함으로써 발색단 골격의 탈알킬화 반응에 의해서 전체 반응이 우선적으로 진행되는 것으로 판단된다[32]. 이때 광촉매 내에서는 광여기 염료로부터 전달되는 전자뿐만 아니라 광촉매 자체의 광여기에 의해서도 전도대에 광여기 전자들이 존재할 수 있으며, 이러한 광여기 전자들은 산소와 반응하여 ∙O₂^- 라디칼을 쉽게 생성하는 것으로 알려져 있다[33, 34].
그러므로 이러한 결과들로부터 CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응과정에서 생성되는 ∙OH 라디칼과 광여기 정공은 전체반응속도에는 어느 정도 영향을 미칠 수도 있으나 반응경로에는 큰 영향을 미치지 않으며, 반면에 반응과정에서 생성되는∙O₂^- 라디칼은 전체 반응경로를 결정하는 데에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과들을 통해, CdS 광촉매상에서의 로다민 B의 광분해 반응은 발색단 골격의 탈알킬화 반응에 의해서 우선적으로 진행되며, 특히 이때 반응과정에서 생성되는 화학 활성종중의 하나인 ∙O₂^-라디칼이 발색단 골격의 탈알킬화 반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 추정할 수 있다.
대표적인 황화물계 광촉매인 CdS 그리고 광촉매로서의 안정성과 활성 증가를 위해 제조한 CdZnS/ZnO를 이용하여 가시광선하에서의 로다민 B의 광분해 반응에 대한 광촉매 활성을 조사하였으며, 특히 이 두 가지 촉매상에서의 반응기구 차이점에 중점을 두고 고찰하였다. 이와 같은 광촉매 반응기구를 보다 자세히 규명하기 위해 광촉매를 이용한 유기 화합물의 광분해 반응에 일반적으로 관여하는 대표적인 화학종인 ∙OH 라디칼, 광여기 정공 그리고 ∙O₂^- 라디칼에 대한 포집제를 반응 용액에 첨가하고 그 영향을 조사하였으며, 그 결과 CdS 및 CdZnS/ZnO 두 가지 광촉매에서 서로 다른 결과가 나타남을 알 수 있었다. 이로부터 CdS 및 CdZnS/ZnO 두 가지 광촉매상에서는 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 전체 반응이 진행된다는 것을 알 수 있었다.
이로부터 CdS 및 CdZnS/ZnO 두 가지 광촉매상에서는 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 전체 반응이 진행된다는 것을 알 수 있었다. 즉 CdS 광촉매상에서는 발색단 골격의 탈알킬화 반응 그리고 CdZnS/ZnO 광촉매상에서는 발색단 콘쥬케이트 구조의 절단 과정을 통하여 반응이 우선적으로 진행된다는 것을 볼 수 있었다. 이는 CdS광촉매 반응에서는 ∙O₂^-라디칼이 반응에 크게 관여하며, 반면에 CdZnS/ZnO 광촉매 반응에 있어서는 광여기 정공이 핵심적인 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 로다민 B의 광분해 반응이 CdZnS/ZnO 혹은 CdS 광촉매상에서 진행될 때 각각 서로 다른 반응기구에 의해 우선적으로 반응이 진행된다는 차이점에 대해 중점을 두고 고찰하였다. 즉 CdS의 광부식에 대한 안정성을 증가시키기 위해 CdZnS를 형성하고 또한 광여기 전자와 정공의 재결합을 억제하기 위하여 ZnO와의 이종 구조물 생성을 생성시켜 제조한 CdZnS/ZnO가 광촉매로서의 안정성과 활성뿐만 아니라 반응기구에 있어서도 CdS와는 다른 결과를 나타냄으로부터, 광촉매 반응과정에서도 각각의 촉매상에서 서로 다른 활성 화학종이 주로 반응에 관여하는 것으로 추정할 수 있다. 이와 같은 연구를 위해 반응과정에서 광촉매 반응 과정에서 관여할 수 있는 여러 종류의 활성 화학종(active chemicalspecies)에 대한 포집제(scavenger)들을 첨가하여 반응을 진행하고 그 결과를 검토하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유산업 배출 폐수가 가장 심각한 오염을 유발한다고 보는 원인과 제시되는 처리방안은 무엇이었는가?	환경에 대한 오염원으로는 여러 가지가 있으며, 그중에서도 수질오염을 보면 특히 섬유산업으로부터 배출되는 폐수가 여러 가지 오염물질중에서도 가장 심각한 오염을 유발하는 것으로 알려져 있다[1]. 즉, 섬유 및 염색 산업으로부터 발생되는 폐수는 그 배출되는 물의 양이 상대적으로 많을 뿐만 아니라 오염물들이 복잡하고 분해되기 어려운 화학구조를 지니고 있는 경우가 많다[2]. 이와 같은 수질 오염물질 제거를 위한 방안으로 오래전부터 분리 혹은 산화 처리기술 등이 제시되었다. 그러나 이러한 오염물질 처리 방법은 2차 오염물질의 발생, 저효율, 장시간 처리, 그리고 고비용 등과 같은 문제점을 나타내고 있다[3].
	광촉매를 이용한 오염물질 분해 반응의 장점은 무엇인가?	그러나 이러한 오염물질 처리 방법은 2차 오염물질의 발생, 저효율, 장시간 처리, 그리고 고비용 등과 같은 문제점을 나타내고 있다[3]. 최근 이러한 문제점을 해결하면서도 보다 친환경적인 방법으로 알려진 고도 산화 처리공정(advanced oxidation process)들이 새로운 오염물질 처리방법으로 제안되었고, 그중 하나의 방법인 광촉매를 이용한 오염물질 분해 반응은 특히 저농도의 난분해성 유무기 오염물질들의 완전 분해가 가능하다는 장점을 지니고 있다. 따라서 반도체 광촉매를 이용하는 오염물질 제거 방법은 궁극적으로는 재생 가능한 에너지원인 태양광을 이용할 수 있고, 또한 여러 종류의 유기 및 무기 오염물질들을 분해 처리할 수 있다는 점에서 학문적인 면에서 뿐만 아니라 실용적인 면에서 있어서도 큰 관심을 모으고 있다.
	로다민 B는 무엇인가?	본 연구의 광촉매 실험에서 분해 대상물질로 사용된 로다민 B는 triphenylmethane 계열의 염료로서, 이와 같은 triphenylmethane 계열의 염료는 섬유, 인쇄, 식품 및 화장품 산업 등과같은 여러 종류의 산업에서 널리 사용되지만 분해처리가 어려워 대표적인 수질 오염물질인 것으로 알려져 있다[28]. 따라서 많은 광촉매 반응 실험에서 분해물질로 연구되어 왔다.

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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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