[논문]초음파 합성 적용 Cu2O-TiO2 (P-N 타입) 반도체 나노물질의 가시광 활성 평가

신승호; 최정학; 김지훈; 이준엽

doi:10.5322/jesi.2019.28.11.971

초음파 합성 적용 Cu2O-TiO2 (P-N 타입) 반도체 나노물질의 가시광 활성 평가
Evaluation of Visible-light activation of Cu2O-TiO2 (P-N type) Semiconductor Nanomaterials prepared by Ultrasonic-assisted Synthesis 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.28 no.11, 2019년, pp.971 - 981

신승호 (대구보건대학교 환경보건과) , 최정학 (부산가톨릭대학교 환경공학과) , 김지훈 (대구보건대학교 환경보건과) , 이준엽 ((주)켐토피아 생활환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the photocatalytic oxidation efficiency of volatile organic compounds by $Cu_2O-TiO_2$ under visible-light irradiation. $Cu_2O-TiO_2$ was synthesized by an ultrasonic-assisted method. The XRD result indicated successful p-n type photocatalysts. However, no diffraction peaks belonging to $TiO_2$ were observed for the $Cu_2O-TiO_2$. The Uv-vis spectra result revealed that the synthesized $Cu_2O-TiO_2$ can be activated under visible-light irradiation. The FE-TEM/EDS result showed the formation of synthesized nanocomposites in the commercial P25 $TiO_2$, the undoped $TiO_2$, and $Cu_2O-TiO_2$ and componential analysis in the undoped $TiO_2$ and $Cu_2O-TiO_2$. The photocatalytic oxidation efficiencies of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene with $Cu_2O-TiO_2$ were higher than those of P25 $TiO_2$ and undoped $TiO_2$. These results indicate that the prepared $Cu_2O-TiO_2$ photocatalyst can be applied effectively to control gaseous BTEX.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

복합 광반응 나노소재를 제조하여 물리화학적 특성 분석과 함께 대표적인 휘발성 유기화합물인 benzene, toluene, ethylbenzene 및 o-xylene (BTEX)에 대한 가시광 조사 조건에서의 광분해 효율을 알아보고자 하였다. 또한, 농도, 유량, 습도 등의 조건 변화에 따른 제거효율을 평가하고 최적의 운전 조건을 도출하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 초음파 합성법을 이용한 Cu₂O-TiO₂ 복합 광반응 나노소재를 제조하여 물리화학적 특성 분석과 함께 대표적인 휘발성 유기화합물인 benzene, toluene, ethylbenzene 및 o-xylene (BTEX)에 대한 가시광 조사 조건에서의 광분해 효율을 알아보고자 하였다. 또한, 농도, 유량, 습도 등의 조건 변화에 따른 제거효율을 평가하고 최적의 운전 조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

광반응 나노소재 활성 시험을 위하여 제조된 Cu₂O-TiO₂를 pyrex재질의 투명 원형 반응기에 코팅한 후 BTEX에 대한 분해효율 시험을 수행하였다. 원형 반응기 내부에 광원을 적용할 수 있도록 빈 공간을 두었다.

대상 데이터

본 연구에서는 초음파 합성법을 이용하여 p-n형 복합광반응 나노소재인 Cu₂O-TiO₂를 제조하였다. 250 ml 비이커에 0.

성능/효과

합성된 Cu₂O-TiO₂를 가시광선 조사 조건에서 대표물질 4개(benzene, toluene, ethylbenzene 및 o-xylene)에 대한 분해 효율을 확인한 결과, 상업용 TiO₂와 비도핑 합성 TiO₂보다 높은 제어효율이 나타났었고, 주입농도가 낮을수록 제어효율이 높게 나타났다. 또한 유량이 낮을수록 합성된 Cu₂O-TiO₂의 체류시간의 장기화로 제어효율이 높아지고, 상대습도가 45% 조건에서 많은 OH 라디칼형성으로 인해 가장 높은 제어효율이 나타난 것으로 확인되었다. 이러한 본 연구결과는 추후 Cu₂O 뿐만 아니라 다양한 금속산화물에 대한 광산화 활성화 반응을 점진적으로 향상시켜 유해오염물질을 다양한 조건에서 높은 효율로 제어할 수 있는 기초연구로 사료되며 추후 다양한 환경적 응용이 가능할 것으로 판단된다.
합성된 Cu₂O-TiO₂의 특성분석 결과, 상업용 TiO₂에 비해 적색이동 현상이 나타남과 e^-와 h⁺간재결합률이 낮아짐을 확인하였고, SEM과 TEM 분석을 통해 상업용 TiO₂에 비해 전자이동이 쉽게 이루어지도록 합성되었음과 Cu₂O가 도핑됨에 따라 가시광선 조사조건에서 광활성 반응을 예상할 수 있었다. 또한, BET를 통한 합성된 TiO₂의 표면적이 상업용 TiO₂에 비해 커짐에 따라 흡착표면이 확장된 것도 확인할 수 있었다. 합성된 Cu₂O-TiO₂를 가시광선 조사 조건에서 대표물질 4개(benzene, toluene, ethylbenzene 및 o-xylene)에 대한 분해 효율을 확인한 결과, 상업용 TiO₂와 비도핑 합성 TiO₂보다 높은 제어효율이 나타났었고, 주입농도가 낮을수록 제어효율이 높게 나타났다.
또한, BET를 통한 합성된 TiO₂의 표면적이 상업용 TiO₂에 비해 커짐에 따라 흡착표면이 확장된 것도 확인할 수 있었다. 합성된 Cu₂O-TiO₂를 가시광선 조사 조건에서 대표물질 4개(benzene, toluene, ethylbenzene 및 o-xylene)에 대한 분해 효율을 확인한 결과, 상업용 TiO₂와 비도핑 합성 TiO₂보다 높은 제어효율이 나타났었고, 주입농도가 낮을수록 제어효율이 높게 나타났다. 또한 유량이 낮을수록 합성된 Cu₂O-TiO₂의 체류시간의 장기화로 제어효율이 높아지고, 상대습도가 45% 조건에서 많은 OH 라디칼형성으로 인해 가장 높은 제어효율이 나타난 것으로 확인되었다.
의 단점인 자외선 조사 조건에서만 발생되는 광산화반응을 가시광선 영역으로 확대하고자 하였다. 합성된 Cu₂O-TiO₂의 특성분석 결과, 상업용 TiO₂에 비해 적색이동 현상이 나타남과 e^-와 h⁺간재결합률이 낮아짐을 확인하였고, SEM과 TEM 분석을 통해 상업용 TiO₂에 비해 전자이동이 쉽게 이루어지도록 합성되었음과 Cu₂O가 도핑됨에 따라 가시광선 조사조건에서 광활성 반응을 예상할 수 있었다. 또한, BET를 통한 합성된 TiO₂의 표면적이 상업용 TiO₂에 비해 커짐에 따라 흡착표면이 확장된 것도 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 유량이 낮을수록 합성된 Cu₂O-TiO₂의 체류시간의 장기화로 제어효율이 높아지고, 상대습도가 45% 조건에서 많은 OH 라디칼형성으로 인해 가장 높은 제어효율이 나타난 것으로 확인되었다. 이러한 본 연구결과는 추후 Cu₂O 뿐만 아니라 다양한 금속산화물에 대한 광산화 활성화 반응을 점진적으로 향상시켜 유해오염물질을 다양한 조건에서 높은 효율로 제어할 수 있는 기초연구로 사료되며 추후 다양한 환경적 응용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu2O는 어떤 특징을 가진 나노소재로 알려져 있는가?	2 eV의 밴드갭을 가진 p형 반도체이다. 가시광 활성, 비독성, 제조의 단순성, 낮은 밴드갭, 우수한 촉매 성능, 가격 경제성 및 높은 광흡수능으로 인한 태양 에너지 변환(solar energy conversion) 등에 적용할 수 있는 대표적인 광반응 나노소재로 알려져 있다(Senevirathna et al., 2005).
	2.0~2.2 eV의 밴드갭을 가진 p형 반도체는 무엇인가?	나노 촉매중 Cu2O는 2.0~2.
	TiO2는 무엇이며 특징은 어떻게 보고되고 있는가?	TiO2는 n형 반도체로서 ~3.2 eV의 밴드갭을 가지고 있는 소재로 가격 경제성, 저독성, 화학적 안정성 그리고 열적 안정성을 기반으로 광촉매 분야에 가장 널리 사용되고 있지만, 자외선 영역에서만 활성화가 일어난다는 한계점을 가지고 있으며, 전하운반체(charge carrier)에 대한 높은 재결합률(recombination rate)로 인해 낮은 양자수득률(quantum yield)을 나타내는 문제가 있는 것으로 보고되고 있다(Ochiai and Fujishima, 2012). 이러한 문제점을 해결하기 위해 TiO2 표면특성을 변화시키는 연구가 진행되어 오고 있다(Chen et al.

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표제어: PCR

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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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