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수열합성법으로 제조된 Bi2MoO6에서 로다민 B의 광촉매 분해 반응
Photocatalytic Decomposition of Rhodamin B over Bi2MoO6 Prepared Using Hydrothermal Process 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.2, 2019년, pp.123 - 128  

홍성수 (부경대학교 화학공학과)

초록
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EGME, GL 및 EG와 물을 용매를 사용하여 $Bi_2MoO_6$ 산화물을 수열합성법으로 성공적으로 합성하였다. 이들 촉매들의 물리적 특성을 XRD, DRS, BET, SEMPL 등으로 분석하였고 제조된 촉매들을 사용하여 가시광선 조사 하에서의 로다민 B광분해 반응에서의 활성을 조사하였다. XRD의 분석 결과에 의하면 대부분의 촉매들은 수열합성법에 의해 이 합성조건에서 용매의 종류와 관계없이 Aurivillius 구조를 가진 ${\gamma}-Bi_2MoO_6$결정화가 잘 이루어졌으며 12에서 18 nm의 크기를 나타내었다. 또한, 합성온도가 $140^{\circ}C$ 이하에서는 $Bi_2MoO_6$ 산화물의 특성피크가 잘 나타나지 않았으나, $160^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 $Bi_2MoO_6$ 산화물의 특성피크가 잘 나타났다. 모든 촉매들은 자외선 영역부터 470 nm보다 낮은 파장의 가시광 영역에서 강한 흡수스펙트럼을 보여주고 있다. 이 결과는 $Bi_2MoO_6$ 산화물들이 가시광 영역에서도 광촉매 활성을 보여주고 있는 것을 의미한다. EGME를 용매로 사용하여 제조된 $Bi_2MoO_6$ 촉매가 가장 높은 광분해 활성을 나타내었고 $180^{\circ}C$에서 합성된 촉매가 가장 높은 광활성을 보여주었다. 모든 촉매들은 560 nm 부근에서 강하고 넓은 PL 흡수밴드가 나타났으며, 이 피크의 세기가 커질수록 광분해 활성이 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$Bi_2MoO_6$ catalysts were successfully synthesized using ethylene glycol monomethyl ether (EGME), glycerol (GL), ethylene glycol (EG), and water as solvents by a conventional hydrothermal method. The synthesized catalysts were characterized by XRD, DRS, BET, SEM, and PL, and we also inve...

주제어

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AI 본문요약
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제안 방법

  • Bi2MoO6 산화물을 EGME, GL 및 EG와 같은 용매를 사용하여 수열합성법으로 합성하여 XRD, DRS, BET, SEM 및 PL 등에 의해 특성분석을 하였다. 또한 제조된 촉매들을 사용하여 가시광선 조사 하에서의 로다민 B의 광분해 반응에서의 활성을 조사하였다.
  • 각 조건에 따라 제조된 촉매의 광분해 활성을 알아보기 위해 반응물 로다민 B에 대한 광활성 능력을 조사하였으며, Bi2MoO6 산화물 촉매들의 광촉매적 활성에 대한 결과는 빛을 조사하기 전 단계에서 확인한 촉매 흡착실험에서 촉매에 따라 다르지만 20 ~ 40% 정도의 흡착이 진행되었다.
  • 이는 광촉매반응시 반응기에 spin bar 를 넣어 촉매가 침전하는 것을 막고 골고루 교반시키기 위해서이다. 광원으로는 Xe 램프를 사용하였으며 420 nm 필터를 사용하여 자외선을 차단한 가시광선영역 하에서 실험을 진행하였고, 광원의 효율을 높이기 위해 반응기와 water filter를 알루미늄호일로 감싸 광원이 주변으로 누출되는 것을 차단시켰다. 반응물은 일정마다 채취하여 UV-vis spectropotometer (Mecasys Optizen Pop)를 이용하여 분석하였다.
  • 이렇게 제조된 물질을 상온으로 식힌 다음 여과과정을 통해 얻어지는 고체 분말을 충분히 물과 에탄올로 세척한 후세척하여 불순물을 제거한 후 300 ℃에서 3 h 동안 소성시켜 제조하였다. 다른 용매 두 가지는 ethylene glycol (EG)과 glycerol (GL)을 사용하여 같은 방법으로 제조하였다.
  • 산화물을 EGME, GL 및 EG와 같은 용매를 사용하여 수열합성법으로 합성하여 XRD, DRS, BET, SEM 및 PL 등에 의해 특성분석을 하였다. 또한 제조된 촉매들을 사용하여 가시광선 조사 하에서의 로다민 B의 광분해 반응에서의 활성을 조사하였다. XRD의 분석 결과에 의하면 대부분의 촉매들은 수열합성법에 의해 이 합성조건에서 용매의 종류와 관계없이 γ-Bi2MoO6의 결정화가 잘 이루어졌으며 12에서 18 nm의 크기를 나타내었다.
  • 를 수열합성법을 이용하여 제조하였다. 또한, 합성온도를 달리하여 bismuth molybdates를 제조하여 그들의 물리적 특성을 조사하였으며 로다민 B의 분해반응에서 광촉매로서의 활성을 조사하였다.
  • 광원으로는 Xe 램프를 사용하였으며 420 nm 필터를 사용하여 자외선을 차단한 가시광선영역 하에서 실험을 진행하였고, 광원의 효율을 높이기 위해 반응기와 water filter를 알루미늄호일로 감싸 광원이 주변으로 누출되는 것을 차단시켰다. 반응물은 일정마다 채취하여 UV-vis spectropotometer (Mecasys Optizen Pop)를 이용하여 분석하였다. 이때 반응물 의 흡광파장은 554 nm에서 흡광도를 측정하여 시간에 따른 농도변화를 확인하였다.
  • 본 연구에서는 ethylene glycol (EG), glycerol (GL) 및 ethylene glycol monomethyl ether (EGME)의 세 가지 용매를 사용하여 Bi2MoO6를 수열합성법을 이용하여 제조하였다. 또한, 합성온도를 달리하여 bismuth molybdates를 제조하여 그들의 물리적 특성을 조사하였으며 로다민 B의 분해반응에서 광촉매로서의 활성을 조사하였다.
  • 반응물은 일정마다 채취하여 UV-vis spectropotometer (Mecasys Optizen Pop)를 이용하여 분석하였다. 이때 반응물 의 흡광파장은 554 nm에서 흡광도를 측정하여 시간에 따른 농도변화를 확인하였다.
  • 제조된 촉매들의 결정 구조를 확인하기 위해서 X선 회절기(XRD, Philips X’pert diffractometer/Cu Kα radiation)를 사용하여 결정성을 확인하였으며, 제조된 촉매들의 흡광도 및 띠 간격을 알아보기 위해 UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS)(Varian Cary 100)를 이용하여 측정하였다.
  • 제조된 촉매의 micro-Raman 스펙트라는 Raman spectrometer (Dimension– pl-Raman, USA)를 사용하여 측정하였다.
  • 제조된 촉매의 광촉매 활성 특성을 알아보기 위해 반응물 로다민 B에 대한 광활성 능력을 조사하였으며, 반응물의 초기농도는 10 ppm, 촉매 첨가량을 0.1 g mL-1, 반응액 양을 100 mL로 동일하게 하였다. 반응장치는 회분식 반응기, Xe 램프 조절기, Xe 램프, 냉각필터, 석영렌즈, 교반기 등으로 이루어져 있으며, 반응기는 내열유리로 제작되었으며 반응기 아래에 교반기를 설치한다.
  • 여기광의 파장은 300 nm로 조사하였다. 촉매가 방출되는 빛의 발광에너지는 350 ~ 650 nm 범위에서 측정하였다. Figure 5에 서로 다른 용매를 사용하여 수열합성법으로 제조한 Bi2MoO6 촉매의 PL 분석 결과를 나타내었다.
  • 제조된 촉매들의 결정 구조를 확인하기 위해서 X선 회절기(XRD, Philips X’pert diffractometer/Cu Kα radiation)를 사용하여 결정성을 확인하였으며, 제조된 촉매들의 흡광도 및 띠 간격을 알아보기 위해 UV-vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS)(Varian Cary 100)를 이용하여 측정하였다. 촉매의 미세구조 관찰 및 모양, 크기분포 등은 scanning electron microscope (HITACHI S-2400, Japan)를 사용하여 관찰하였다. 촉매의 표면적, 기공 부피 및 기공의 분포 등을 측정하기 위해 표면 측정 장치(Quntachrome, Autosorb-1 surface analyzer)를 이용하여 측정하였다.
  • 촉매의 표면적, 기공 부피 및 기공의 분포 등을 측정하기 위해 표면 측정 장치(Quntachrome, Autosorb-1 surface analyzer)를 이용하여 측정하였다. 촉매의 분광학적 특징을 살펴보기 위해 상온에서 광원으로 Xe 램프를 장착한 photoluminescence spectrometer (PL, KIMMON KOHA, Japan)를 사용하였다. 제조된 촉매의 micro-Raman 스펙트라는 Raman spectrometer (Dimension– pl-Raman, USA)를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

  • PL 분광계는 전하 운반체의 포집 효율 및 반도체 입자내부에서 생기는 전자/전공쌍의 거동 등을 조사하기 위해 이용되는 분석방법이다. 여기광의 파장은 300 nm로 조사하였다. 촉매가 방출되는 빛의 발광에너지는 350 ~ 650 nm 범위에서 측정하였다.

이론/모형

  • 이와 같은 결과는 수열합성법에 의해 이 합성조건에서 용매의 종류와 관계없이 γ-Bi2MoO6의 결정화가 잘 이루어진 것을 의미한다. 또한, 촉매들의 결정크기는 X-선 회절 피크에 상응하는 라인의 넓이로부터 미세 결정크기 L을 Scherrer 식을 사용하여 아래와 같이 구할 수 있다[14].
  • 본 촉매는 기존의 수열합성법을 사용하여 촉매를 합성하였다. 먼저 20 mL ethylene glycol monomethyl ether (EGME)에 0.
  • 촉매의 미세구조 관찰 및 모양, 크기분포 등은 scanning electron microscope (HITACHI S-2400, Japan)를 사용하여 관찰하였다. 촉매의 표면적, 기공 부피 및 기공의 분포 등을 측정하기 위해 표면 측정 장치(Quntachrome, Autosorb-1 surface analyzer)를 이용하여 측정하였다. 촉매의 분광학적 특징을 살펴보기 위해 상온에서 광원으로 Xe 램프를 장착한 photoluminescence spectrometer (PL, KIMMON KOHA, Japan)를 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광촉매 반응의 장점은 무엇인가? 불균일 광촉매반응은 공기 및 수질오염원을 처리할 수 있는 새로운 기술로 알려져 있다[1]. 광촉매 반응은 다른 처리 방법에 비해 많은 장점을 가지고 있으며, 이 기술은 매우 친환경적이며 상온에서 쉽게 반응이 진행될 수 있으며, 낮은 농도의 유기물을 효과적으로 처리할 수 있다. 이산화티탄은 낮은 생산비용, 무독성 및 광안정성 때문에 광촉매로써 널리 사용되고 있다[2].
이산화티탄의 특징은 무엇인가? 광촉매 반응은 다른 처리 방법에 비해 많은 장점을 가지고 있으며, 이 기술은 매우 친환경적이며 상온에서 쉽게 반응이 진행될 수 있으며, 낮은 농도의 유기물을 효과적으로 처리할 수 있다. 이산화티탄은 낮은 생산비용, 무독성 및 광안정성 때문에 광촉매로써 널리 사용되고 있다[2]. 그러나 이산화티탄은 387 nm 이하의 자외선 만을 흡수하므로 태양에너지의 3 ~ 5%의 영역만을 이용할 수 있다.
광촉매 반응에서 촉매의 구조와 형상, 결정성 등을 조절하는 것이 중요한 이유는 무엇인가? 반면에 Aurivillius 구조를 가진 γ-Bi2MoO6 는 적절한 밴드갭, 우수한 가시광 흡수력, 여러 이온의 전도성 및 광촉매의 특성으로 인해 가시광 영역에서의 높은 광촉매 활성을 보여주고 있다[6, 7]. 일반적으로 광촉매의 활성은 그들의 구조와 형태에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다. 따라서 광촉매 반응에서 실질적으로 사용하기 위해서 원하는 구조와 형상을 가진 물질을 합성하는 것이 중요할 뿐만 아니라 이를 위해서 결정성, 기공구조 및 조성을 조절하여야 한다.
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참고문헌 (17)

  1. Konstantinou, I. K., and Albanis, T. A., " $TiO_2$ -Assisted Photocatalytic Degradation of Azo Dyes in Aqueous Solution: Kinetic and Mechanistic Investigations," Appl. Catal. B, 49, 1-14 (2004). 

  2. Matsuda, S., and Kato, A., "Titanium Oxide Based Ctalysts-a Review," Appl. Catal., 8, 149-165 (1983). 

  3. Kudo, A., Steinberg, M., Bard, A. J., Campton, A., Fox, M. A., Mallouk, T. E., Webber, S. E., and White, J. M., "Photoactivity of Ternary Lead-group IVB Oxides for Hydrogen and Oxygen Evolution," Catal. Lett., 5, 61-65 (1990). 

  4. Guangcheng, X., and Jinhua, Y., "Synthesis of Bismuth Vanadate Nanoplates with Exposed {001} Facets and Enhanced Visible-light Photocatalytic Properties," Chem. Commun., 46, 1893-1895 (2000). 

  5. Keulks, G. W., Krenzke, L. D., and Notermann, T. M., "Selective Oxidation of Propylene," Adv. Catal., 27, 183-225 (1978). 

  6. Kato, H., Hori, M., Konta, R., Shimodaira, Y., and Kudo, A., "Construction of Z-scheme Type Heterogeneous Photocatalysis Systems for Water Splitting into $H_2\;and\;O_2$ under Visible Light Irradiation," Chem. Lett., 33, 1348-1349 (2004). 

  7. Beale, A. M., and Sankar, G., "In Situ Study of the Formation of Crystalline Bismuth Molybdate Materials under Hydrothermal Conditions," Chem. Mater., 15, 146 (2003). 

  8. Williams, S., Puri, M., Jacobson, A. J., and Mims, C. A., "Propene Oxidation on Substituted 2:1 Bismuth Molybdates and Vanadates," Catal. Today, 37, 43-49 (1997). 

  9. Le, M. T., Van Well, W. J. M., Van Driessche, I., and Hoste, S., "Influence of Organic Species on Surface Area of Bismuth Molybdate Catalysts in Complexation and Spray Drying Methods," Appl. Catal. A, 267, 227-234 (2004). 

  10. Zhou, L., Wang, W. Z., and Zhang, L. S., "Ultrasonic-assisted Synthesis of Visible-light-induced $Bi_2MO_6$ (MW, Mo) Photocatalysts," J. Mol. Catal. A, 268, 195-200 (2007). 

  11. Shi, Y. H., Feng, S. H., and Cao, C. S., "Hydrothermal Synthesis and Characterization of $Bi_2MoO_6\;and\;Bi_2WO_6$ ," Mater. Lett., 44, 215-218 (2000). 

  12. Verma, S., Joy, P. A., Khollam, Y. B., Potdar, H. S., and Deshpande, S. B., "Synthesis of Nanosized $MgFe_2O_4$ Powders by Microwave Hydrothermal Method," Mater. Lett., 58, 1092-1095 (2004). 

  13. Hou, L., Hua, H., Gan, L., and YUan, C., "Template-free Solvothermal Fabrication of Hollow $Bi_2MoO_6$ Micro-spheres with Enhanced Visible Light Photocatalytic Activity," Mater. Lett., 159, 35-38 (2015). 

  14. Cullity, B. D., "Elements of X-Ray Diffraction," Adison-Wesley, Reading, MA (1978). 

  15. He, Z. Q., Shi, Y. Q., Gao, C., Wen, L. M., Chen, J. M., and Song, S., " $BiOCl/BiVO_4$ p-n Hetero-junction with Enhanced Photocatalytic Activity under Visible-light Irradiation," J. Phys. Chem. C, 118, 389-398 (2014). 

  16. Sczancoski, J. C., Cavalcante, L. S., Marana, N. L., daSilva, R. O., Tranquilin, R. L., Joya, M. R., Pizani, P. S., Varela, J. A., Sambrano, J. R., Li, M. S., Longo, E., and Andre's, J., 'Electronic Structure and Optical Properties of $BaMoO_4$ Powders', Curr. Appl. Phys., 10, 614-624 (2010). 

  17. Jung, W. Y., and Hong, S. S., "Synthesis of $LaCoO_3$ Nanoparticles by Microwave Process and Their Photocatalytic Activity under Visible Light Irradiation," J. Ind. & Eng. Chem., 19, 157-160 (2013). 

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