$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

[국내논문] 급속 파괴 양극산화로 제조된 TiO2 나노 튜브 분말을 활용한 폴리에틸렌 복합 필름의 UV 광촉매 분해
Photocatalytic decomposition of polyethylene composite film with TiO2 nanotube powders prepared by rapid breakdown anodization 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.4, 2020년, pp.153 - 159  

임경민 (인하대학교 화학공학과) ,  김용태 (인하대학교 화학공학과) ,  최진섭 (인하대학교 화학공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Photocatalytic decomposition of polyethylene film with TiO2 nanotube powders (NTs) was investigated under UV irradiation at ambient conditions. TiO2 NTs composed of individual nanotubes are prepared by rapid breakdown anodization technique. A comparative study on the photocatalytic decomposition of ...

주제어

표/그림 (6)

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 전처리 과정으로 타이타늄 포일 (0.127 mm, 99.7%, Sigma-Aldrich)을 1.5×4 cm 크기로 잘라 아세톤, 에탄올, 초 순수 (Deionized, DI water)에 각각 10분 동안 초음파 세척 후, 60 ℃ 오븐에서 건조시켰다.
  • 양극산화 전해질로 불소 이온이 아닌 Cl-(또는 OCl-) 등을 사용하게 되면 나노 튜브들이 묶음의 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이러한 나노 구조의 형성은 파괴 전압 (breakdown potential) 이상에서 산화막이 파괴되면서 형성되는 것으로 알려져 있다. [19] 이에 본 연구에서는 광촉매로써 넓은 비표면적을 갖는 나노 튜브 형태의 TiO2 분말을 전기화학적 급속 파괴 양극산화를 통해 제조하였으며, 폴리에틸렌 -TiO2 복합필름을 제조 후 UV를 조사하여 광촉매 성능을 상용 TiO2 나노 입자와 비교 평가하였다.
  • 두 전극 간 거리는 20 mm를 유지하면서 DC power supply (N8761A, Agilent)를 이용하여 상온에서 2분 동안 20 V의 전압을 인가하였다 [20]. 제조된 TiO2 나노 튜브 파우더의 표면 및 단면구조는 주사전자 현미경 (Field-emission scanning electron microscope FE-SEM, S-4300SE, Hitachi) 및 투과전자현미경(Field-emission transmission electron microscopy FE-TEM, JEM-2100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였고, X선 회절분석기 (X-ray diffraction (XRD, D/max-RB, Rigaku)를 이용하여 결정 구조를 분석하였다.
  • TiO2 광촉매의 폴리에틸렌 분해능을 측정하기 위한 반응기는 그림 1과 같이 구성하였으며, 광촉매 반응기에 8 W UV-C (254 nm) 4개를 사용하여 200시간 동안 UV 광을 조사하였다. 광촉매 반응을 시작하고 일정 시간 간격으로 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 무게 측정과 FT-IR 분석을 통해 광분해 성능을 평가하였다.
  • 광촉매의 폴리에틸렌 분해능을 측정하기 위한 반응기는 그림 1과 같이 구성하였으며, 광촉매 반응기에 8 W UV-C (254 nm) 4개를 사용하여 200시간 동안 UV 광을 조사하였다. 광촉매 반응을 시작하고 일정 시간 간격으로 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 무게 측정과 FT-IR 분석을 통해 광분해 성능을 평가하였다. 무게 측정 오차를 줄이기 위하여 광촉매 반응 전 후, 샘플의 완전 건조 후 무게 변화를 측정하였다.
  • 광촉매 반응을 시작하고 일정 시간 간격으로 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 무게 측정과 FT-IR 분석을 통해 광분해 성능을 평가하였다. 무게 측정 오차를 줄이기 위하여 광촉매 반응 전 후, 샘플의 완전 건조 후 무게 변화를 측정하였다.
  • 5 nm인 것을 확인할 수 있다 (그림 3(c). 또한, TiO2 나노 튜브 분말의 결정 구조를 XRD 분석을 통해 확인하였다. 그림 3(d)에 나타나듯이, 급속 파괴 양극산화를 통해 제조된 TiO2 산화물은 금속 표면의 국부적인 급격한 온도 상승으로 인해 Anatase 상 (JCPDS 21-1272)의 결정 구조를 가짐을 알 수 있다.
  • 광촉매 성능을 평가하기 위해 그림 1과 같은 광분해 장치를 이용하여 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름에 254 nm 파장의 UV 빛을 조사하여 시간에 따른 무게 변화를 확인하였다. 그림 4에 나타난 것과 같이, TiO2가 포함되지 않은 순수한 폴리에틸렌 필름의 경우 UV 조사 하에서 200 시간이 경과하여도 무게 변화가 없는 반면, TiO2 나노 입자 또는 나노 튜브 분말이 포함된 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 경우 시간이 증가함에 따라 폴리에틸렌의 분해에 따른 무게가 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다.
  • 본 연구에서는 급속파괴 양극산화를 통해 생성된 TiO2를 이용하여 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름 제조 후 UV 광촉매 분해 성능을 평가하였다. 급속파괴 양극산화를 통해 빠른 시간 내에 번들 형태의 나노 튜브 구조를 갖는 TiO2 파우더가 형성되는 것을 확인하였다.

대상 데이터

  • 5×4 cm 크기로 잘라 아세톤, 에탄올, 초 순수 (Deionized, DI water)에 각각 10분 동안 초음파 세척 후, 60 ℃ 오븐에서 건조시켰다. 준비된 타이타늄 포일을 작업 전극으로 백금을 상대전극으로 사용하는 2-전극 시스템을 구성하였으며, 전해질로 0.1 M HClO4 수용액을 사용하였다. 두 전극 간 거리는 20 mm를 유지하면서 DC power supply (N8761A, Agilent)를 이용하여 상온에서 2분 동안 20 V의 전압을 인가하였다 [20].
  • 잘 분산된 폴리에틸렌-TiO2 혼합 용액을 Petri dish (지름 6 cm)에 도포 후 70 ℃ 오븐에서 20분 동안 건조 후 상온에서 48시간 동안건조시켰다. 비교를 위해 동일한 방법으로 21 nm 크기의 상용 TiO2 나노 입자 (P25, Sigma-Aldrich)를 사용하여 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름을 제조하였다.

이론/모형

  • 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 UV 광촉매 분해를 FT-IR 분광법을 통해 조사하였다. 그림 5는 200 시간 동안 UV 조사 전후의 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미세플라스틱을 제거하는 방법에는 무엇이 있나? 미세플라스틱을 제거하는 방법으로 열분해, 촉매 분해, 미생물 분해 등의 방법이 제시되고 있으나[9-11], 이러한 방법들은 고가의 처리 비용이 발생하며 2차 오염 물질을 생성한다는 단점을 가지고 있다. 반면, 광촉매/UV 공정은 강력한 라디칼(radical)을 생성하여 미세플라스틱의 산화를 통해 분해하는 공정으로 친환경적이며 상온에서 이용이 가능하다는 특징을 가지고 있다 [12].
본 연구에서 TiO2 광촉매의 폴리에틸렌 분해능 측정 시 무게 측정 오차를 줄이기 위해 한 것은 무엇인가? 광촉매 반응을 시작하고 일정 시간 간격으로 폴리에틸렌-TiO2 복합 필름의 무게 측정과 FT-IR 분석을 통해 광분해 성능을 평가하였다. 무게 측정 오차를 줄이기 위하여 광촉매 반응 전 후, 샘플의 완전 건조 후 무게 변화를 측정하였다.
광촉매/UV 공정의 특징은 무엇인가? 미세플라스틱을 제거하는 방법으로 열분해, 촉매 분해, 미생물 분해 등의 방법이 제시되고 있으나[9-11], 이러한 방법들은 고가의 처리 비용이 발생하며 2차 오염 물질을 생성한다는 단점을 가지고 있다. 반면, 광촉매/UV 공정은 강력한 라디칼(radical)을 생성하여 미세플라스틱의 산화를 통해 분해하는 공정으로 친환경적이며 상온에서 이용이 가능하다는 특징을 가지고 있다 [12]. 광촉매는 빛을 받아서 광화학반응을 가속시키는 물질로, 밴드갭 에너지 (band gap) 이상의 빛을 받아 전자가 가 전자대 (valence band)에서 전도대 (conduction band)로 여기되어 전자-정공 쌍을 형성하며 몇 단계의 추가 반응을 통해 반응성이 큰 라디칼을 생성시킨다[13].
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (24)

  1. C.C. Ji Hyun Ryu, Current Status of Microplastics and Impact on Human Health, Prospectives of Industrial Chemistry, 22 (2019) 1-12. 

  2. R. Geyer, J.R. Jambeck, K.L. Law, Production, use, and fate of all plastics ever made, Science advances, 3 (2017) e1700782. 

  3. J.R. Jambeck, R. Geyer, C. Wilcox, T.R. Siegler, M. Perryman, A. Andrady, R. Narayan, K.L. Law, Plastic waste inputs from land into the ocean, Science, 347 (2015) 768-771. 

  4. A.L. Andrady, Microplastics in the marine environment, Marine pollution bulletin, 62 (2011) 1596-1605. 

  5. S.-G. Kim, 입자상 잔류성 유기오염 물질에 의한 원형 미세플라스틱 오염 연구, Proceeding of EDISON Challenge, (2016) 576-581. 

  6. Y. Ogata, H. Takada, K. Mizukawa, H. Hirai, S. Iwasa, S. Endo, Y. Mato, M. Saha, K. Okuda, A. Nakashima, International pellet watch: global monitoring of persistent organic pollutants (POPs) in coastal waters. 1. Initial phase data on PCBs, DDTs, and HCHs, Marine pollution bulletin, 58 (2009) 1437-1446. 

  7. M. Gold, K. Mika, C. Horowitz, M. Herzog, Stemming the tide of plastic litter: a global action agenda, Tul. Envtl. LJ, 27 (2013) 165. 

  8. Y. Mato, T. Isobe, H. Takada, H. Kanehiro, C. Ohtake, T. Kaminuma, Plastic resin pellets as a transport medium for toxic chemicals in the marine environment, Environmental science & technology, 35 (2001) 318-324. 

  9. R. Singh, B. Ruj, A. Sadhukhan, P. Gupta, Thermal degradation of waste plastics under non-sweeping atmosphere: Part 1: Effect of temperature, product optimization, and degradation mechanism, Journal of environmental management, 239 (2019) 395-406. 

  10. D. Park, E. Hwang, J. Kim, J. Choi, Y. Kim, H. Woo, Catalytic degradation of polyethylene over solid acid catalysts, Polymer degradation and stability, 65 (1999) 193-198. 

  11. J. Yang, Y. Yang, W.-M. Wu, J. Zhao, L. Jiang, Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms, Environmental science & technology, 48 (2014) 13776-13784. 

  12. A. Fujishima, K. Honda, Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode, nature, 238 (1972) 37-38. 

  13. H.-S.C. Han-Jun Oh, Jong-Ho Lee, Choong-Soo Chi, Effective Wastewater Purification Using $TiO_2$ Nanotubular Catalyst, Korean journal of metals and materials, 47 (2009) 91-98. 

  14. R.T. Thomas, V. Nair, N. Sandhyarani, $TiO_2$ nanoparticle assisted solid phase photocatalytic degradation of polythene film: A mechanistic investigation, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 422 (2013) 1-9. 

  15. Y.G.P. Hong Joo Lee, Seung Hwan Lee and Jung Hoon Park, Photocatalytic Properties of TiO2 According to Manufacturing Method, Korean Chemical Engineering Research, 56 (2018) 156-161. 

  16. D.K. Dasol Jeong, and Hyunsung Junga, Photoelectrochemical Properties of $TiO_2$ Nanotubes by Well-Controlled Anodization Process, Journal of the Korean Institute of surface engineering, 52 (2019) 298-305. 

  17. G.H. Chul young Choi, Ilguk Jo, Young seok Kimb, Yangdo Kim, Photolytic Characteristics of Ni- $TiO_2$ Composite Coating from Electroless Plating, Journal of the Korean Institute of surface engineering, 42 (2009) 157-160. 

  18. S.S. Ali, I.A. Qazi, M. Arshad, Z. Khan, T.C. Voice, C.T. Mehmood, Photocatalytic degradation of low density polyethylene (LDPE) films using titania nanotubes, Environmental nanotechnology, monitoring & management, 5 (2016) 44-53. 

  19. K. Lee, Principle of Anodic $TiO_2$ Nanotube Formations, Applied Chemistry for Engineering, 28 (2017) 601-606. 

  20. R. Hahn, J. Macak, P. Schmuki, Rapid anodic growth of $TiO_2\;and\;WO_3$ nanotubes in fluoride free electrolytes, Electrochemistry communications, 9 (2007) 947-952. 

  21. E. Song, Y.-T. Kim, J. Choi, Anion additives in rapid breakdown anodization for nonmetal-doped $TiO_2$ nanotube powders, Electrochemistry Communications, 109 (2019) 106610. 

  22. P. Gijsman, G. Meijers, G. Vitarelli, Comparison of the UV-degradation chemistry of polypropylene, polyethylene, polyamide 6 and polybutylene terephthalate, Polymer Degradation and Stability, 65 (1999) 433-441. 

  23. F. Fallani, G. Ruggeri, S. Bronco, M. Bertoldo, Modification of surface and mechanical properties of polyethylene by photo-initiated reactions, Polymer degradation and stability, 82 (2003) 257-261. 

  24. X. u Zhao, Z. Li, Y. Chen, L. Shi, Y. Zhu, Solid-phase photocatalytic degradation of polyethylene plastic under UV and solar light irradiation, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 268 (2007) 101-106. 

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

GOLD

오픈액세스 학술지에 출판된 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로