보고서 정보
주관연구기관 |
주식회사 켐토피아 |
연구책임자 |
이준엽
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2020-03 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202000003980 |
과제고유번호 |
1711088246 |
사업명 |
개인기초연구(과기정통부)(R&D) |
DB 구축일자 |
2020-07-29
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키워드 |
초음파 합성.복합 나노물질.유해공기오염물질.발광다이오드.가시광선.부산물.시험인자.물리화학적 특성.메커니즘.
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초록
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□ 연구개요
본 연구에서는 새로운 방향의 가시광선 유도 신복합 나노소재를 이용하여 실내공간에서 주로 존재하는 유해공기오염물질을 안정적으로 제어하기 위함이다. 이에 주거지 및 산업체 건물에서 자주 측정되는 유해공기오염물질 농도수준에서 분해능 평가를 수행하게 되었다. 본 연구의 목표는 다음과 같이 4가지로 세분화되며 첫째, 친환경 초음파 합성법을 이용한 복합광반응 나노물질 합성을 통해 물리·화학적 특성평가, 둘째, 발광다이오드 조사조건에서 유해공기오염무질 분해능 평가, 셋째, 최적의 금속 산화물 도핑 광반응 나노물질을 이용한 LE
□ 연구개요
본 연구에서는 새로운 방향의 가시광선 유도 신복합 나노소재를 이용하여 실내공간에서 주로 존재하는 유해공기오염물질을 안정적으로 제어하기 위함이다. 이에 주거지 및 산업체 건물에서 자주 측정되는 유해공기오염물질 농도수준에서 분해능 평가를 수행하게 되었다. 본 연구의 목표는 다음과 같이 4가지로 세분화되며 첫째, 친환경 초음파 합성법을 이용한 복합광반응 나노물질 합성을 통해 물리·화학적 특성평가, 둘째, 발광다이오드 조사조건에서 유해공기오염무질 분해능 평가, 셋째, 최적의 금속 산화물 도핑 광반응 나노물질을 이용한 LED 조사조건에서 유해공기오염물질 분해능 평가 그리고 마지막으로, 친환경 초음파 합성법을 이용해 합성된 최적의 금속-금속산화물(p-type) 이중도핑 복합 광반응 나노물질을 활용한 유해공기오염물질 분해능 평가뿐만 아니라 산화과정에서 발생가능한 부산물을 확인하여 산화 메카니즘 결정 및 종합적 분석을 하였다.
□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 가시광 활성 신복합나노소재 개발과 대기 환경적 응용 연구로서 다음과 같이 년차별로 세분화되었고 대표적 실험인자가 제시되었다.
1차년도 – 친환경 초음파 합성법을 이용한 신 가시광 유도 나노물질을 합성하고 이를 실내환경에 존재하는 유해공기오염물질 분해 효율을 비교·평가하는 응용연구로 합성된 나노촉매의 물리·화학적 특성분석, 그리고 Lab-scale 시스템 구축을 통해 일반램프와 LEDs 조사 조건에 대한 제어효율평가를 하였다. 1) 신 광유도나노 촉매의 특성분석은 Uv-vis-nir, FTIR, XRD, SEM/EDX 그리고 Bio-TEM 등을 이용하여 결정, 2) 광촉매 반응 lab-scale 시스템 구축, 3) 대상오염물질 따른 분해능을 시험평가하여 최적 기본 광유도 나노물질을 결정하여 실험하였다,
2차년도 – 실내환경을 적용시켜 p-type 금속산화물 도핑 나노촉매를 초음파 합성법을 이용하여 합성하였고, 합성된 나노물질의 물리·화학적특성분석, 그리고 가시광 LED와 가시광선 일반램프 조사 조건 각각에 대하여 악취와 유해물질 제거 효율평가; 1) 금속산화물 도핑 촉매의 표면특성은 Uv-vis-nir, FTIR, XRD, BET, SEM, TEM 등을 이용하였고, 2) 금속산화물 도핑 광반응 나노촉매의 시스템 구축을 이용하여 대상오염물질 농도별, 습도별, 유량별, 광원별에 따른 대상오염물질의 분해능을 시험평가하였다..
3차년도 – 금속이온-금속산화물 이중도핑 광반응 나노촉매를 합성하고 합성 나노촉매의 물리·화학적 특성분석, 그리고 가시광 LED와 가시광 일반램프를 이용하여 각 램프광원의 조사조건 각각에서 실내유해공기오염물질 분해능 평가를 수행하였으며, 1) 이중도핑 광반응 나노촉매의 물리·화학적 특성 분석은 Uv-vis-nir, FTIR, XRD, BET, SEM, TEM 등을 이용하였고, 2) 금속산화물 도핑 광반응 나노촉매의 시스템 구축을 이용하여 광원별에 따른 대상오염물질의 분해능을 시험평가하였다.. 마지막으로, 3) 위 결과들을 기초하여 최적의 광반응 나노물질-LEDs lab-scale 시스템 구축 및 응용을 위한 최적화를 제시하였고, 대상오염물질이 광반응 나노물질과의 산화반응을 통해 생성가능한 부산물을 GC/MS-ATD를 이용하여 확인 그리고 산화 메카니즘과 종합적인 분석을 제시하였다.
대표적 실험인자: 나노 촉매 반응기에 대상오염물질을 연속적으로 주입하여 대표적인 운전인자인 상대습도와 주입농도에 따른 분해능을 시험평가하였다. 상대습도의 범위는 20-90%로서 실제 실내 공간에서 발생할 수 있는 넓은 습도 범위를 포함하였다. 오염물질의 유입농도는 일반 실내 환경과 산업체 실내 환경을 모두 반영하는 0.1~0.5 ppm의 넓은 농도범위 선정하였다. 실험 변수의 대표 값은 다음과 같다: 유량은 1.0 L/min, 반응기 수리학적 직경은 0.5 cm, 가시광선 LED, 일반 가시광선 램프는 각각 8W-형광램프.
□ 연구개발결과의 중요성
환경오염물질 제어를 위해서 적용되고 있는 이산화티타늄(TiO2)은 강한 산화력, 경제성, 저독성, 그리고 화학적으로 안정된 특성을 바탕으로 사용되고 있다. 하지만, 기존 TiO2는 넓은 band-gap(anatase~3.2 eV: rutile~3.0 eV)가지고 있으며 자외선(λ<380 nm) 조건에서 유해공기오염물질을 분해를 위한 촉매로서의 역할과 광 유도된 전자와 정공이 재결합 되어 양자 수익률이 낮다는 한계점이 있는 물질이다. 이에 자외선 조건에서 활성화를 일으키는 단점을 보완하기 위해 가시광 유도 나노물질을 전자적으로 개량할 필요성이 제기되고 있다. 금속물질, p-type 반도체 그리고 금속—ptype 반도체를 TiO2에 접목시키게 되면 TiO2의 전자적 특성을 변화시켜 광에 대해서 안정적으로 반응하고 가시광선 조사 조건에서 유해공기오염물질에 대한 높은 분해능을 나타낼 수 있을 것으로 예상된다. 나아가, 금속 및 금속산화물질들은 전자받기 기능을 갖고 있기 때문에 이들 금속물질이 도핑된 신복합 광반응 나노소재 Ce-TiO2, Cu2O-TiO2 그리고 Au/Cu2O-TiO2에 의한 유해공기오염물질 산화분해에 대한 시너지 효과를 확인 할 수 있었다. 또한, 연구 수행 시 metal/p-type 도핑 n-type인 Au/Cu2O-TiO2에 의한 유해공기오염물질 분해 메커니즘을 과학적으로 이해할 수 있다는 중요성이 제기되고 환경적으로는 공기 중 유해/악취 오염물질을 효율적으로 제어하여 실내 공기질을 개선하는 방법을 제시한다는 관점에서 본 연구 수행의 중요성이 강조된다. 또한 본 연구과제의 결과물들은 기존 광유도 나노물질의 제한성 극복을 통해 유해공기오염물질 제어에 대한 응용연구로서 대기환경공학적 기술의 연구역량이 향상될 수 있을 뿐 만 아니라 근본적인 연구 추진전략은 유사 혼성기술에 대한 환경공학기술로 활용될 수 있으며 이러한 유해공기오염물질 제어를 위한 신기술과 기존 기술의 장단점 보완을 적용하여 산화과정에서 발생되는 부산물들에 대한 최소화 방안을 제시하여 최종적으로 일반 대기 및 산업 대기환경의 실내공기질 개선 기술을 향상시키는데 활용될 수 있다.
(출처 : 연구결과 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구결과 요약문 ... 2
- 목차 ... 3
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
- 가. 연구의 최종목표 ... 4
- 나. 연구의 필요성 및 중요성 ... 4
- 다. 연차별 연구범위 ... 4
- 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
- 가. 1차년도 연구수행 결과 ... 5
- 나. 2차년도 연구수행 결과 ... 6
- 다. 3차년도 연구수행 결과 ... 9
- 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
- 4. 참고문헌 ... 14
- 5. 연구성과 ... 15
- 대표적 연구실적 ... 18
- 끝페이지 ... 30
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