KR100613122B1 - Synthesis of n-doped tio2 nano powder by microwave plasma torch - Google Patents

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KR100613122B1 KR1020050047634A KR20050047634A KR100613122B1 KR 100613122 B1 KR100613122 B1 KR 100613122B1 KR 1020050047634 A KR1020050047634 A KR 1020050047634A KR 20050047634 A KR20050047634 A KR 20050047634A KR 100613122 B1 KR100613122 B1 KR 100613122B1
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홍용철
엄환섭
방찬욱
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엄환섭
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Abstract

금속 화합물 증기로부터 가시광 영역에서 광촉매 활성화되는 금속 산화물 나노분말의 합성방법에 관한 것이다. 특히, 증기상의 사염화티타늄(TiCl4)로부터 이산화티타늄(TiO2) 나노분말의 합성과 동시에 질소(N)를 도핑하는 방법이 개시된다. 사염화티타늄 증기는 전기적으로 유도된 전자파 플라즈마에서 분해되고 산화가스와 반응하여 이산화티타늄 증기를 형성하고 동시에 이 금속 산화물 증기는 플라즈마 영역에서의 질소 라디칼들과 반응하여 질소 도핑된 이산화티타늄 증기가 형성되고 고온의 플라즈마 영역을 벗어나면서 급속히 냉각되어 질소 도핑된 이산화티타늄(N-Doped TiO2) 나노분말이 합성된다.A method for synthesizing a metal oxide nanopowder which is photocatalytically activated in the visible light region from a metal compound vapor. In particular, a method of doping nitrogen (N) simultaneously with the synthesis of titanium dioxide (TiO 2 ) nanopowder from vaporous titanium tetrachloride (TiCl 4 ) is disclosed. Titanium tetrachloride vapor decomposes in an electrically induced electromagnetic plasma and reacts with the oxidizing gas to form titanium dioxide vapor, and at the same time the metal oxide vapor reacts with nitrogen radicals in the plasma region to form nitrogen doped titanium dioxide vapor. The nitrogen-doped titanium dioxide (N-Doped TiO 2 ) nanopowder is synthesized by rapidly cooling out of the plasma region.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 통상의 2.45 ㎓ 전자파를 발진하는 마그네트론(10); 마그네트론(10)에 전원을 공급하는 전원공급장치(20); 마그네트론(10)으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론(10)을 보호하는 한편, 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 출력하는 순환기(30); 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 순환기(30)를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기(40); 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스를 매칭시키는 3-스터브 튜너(50); 3-스터브 튜너(50)를 통해 전달된 전자파와 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마가 생성되고 이산화티타늄 합성 반응과 질소의 도핑이 일어나는 반응기(80); 반응기(80) 내에 플라즈마를 안정화하는 와류가 스와 질소 도핑된 이산화티타늄 합성 반응에 필요한 원료가스를 주입하는 윈료공급부(60), 반응기(80)로부터 합성된 분말들이 수집되는 분말 수집부(70)를 포함한다.And the present invention to achieve the above object is a magnetron 10 for oscillating a typical 2.45 GHz electromagnetic wave; A power supply device 20 for supplying power to the magnetron 10; A circulator 30 which completely absorbs the reflected waves reflected by the magnetron 10 to protect the magnetron 10 and outputs electromagnetic waves oscillated from the magnetron 10; A directional coupler 40 for monitoring the magnitudes of incident and reflected waves and outputting electromagnetic waves transmitted through the circulator 30; A 3-stub tuner 50 for matching impedance to electromagnetic waves input from the directional coupler 40; A reactor 80 in which a plasma is generated by the electromagnetic waves transmitted through the 3-stub tuner 50 and the vortex gas injected from the outside, and the titanium dioxide synthesis reaction and the doping of nitrogen occur; In the reactor 80, a winch supply unit 60 for injecting a source gas necessary for the vortex gas and nitrogen-doped titanium dioxide synthesis reaction to stabilize the plasma, and a powder collector 70 for collecting powders synthesized from the reactor 80 Include.

플라즈마, 전자파, 이산화티타늄, 사염화티타늄, 질소 도핑, 나노분말 Plasma, electromagnetic wave, titanium dioxide, titanium tetrachloride, nitrogen doping, nano powder

Description

전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑 된 이산화티타늄 나노분말의 합성{SYNTHESIS OF N-DOPED TiO2 NANO POWDER BY MICROWAVE PLASMA TORCH}Synthesis of Nitrogen-doped Titanium Dioxide Nanopowder Using Electromagnetic Plasma Torch {SYNTHESIS OF N-DOPED TiO2 NANO POWDER BY MICROWAVE PLASMA TORCH}

다음에 상세히 기술할 설명은 나열된 도식들을 참조함으로서 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description may make the invention easier to understand by reference to the listed schemes.

도 1은 본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 이산화티타늄 나노분말 합성 장치 구성을 예시한 구성 블록도,1 is a block diagram illustrating the configuration of the nitrogen-doped titanium dioxide nano powder synthesis apparatus using the electromagnetic plasma torch according to the present invention,

도 2는 도 1의 참조 숫자 100으로 표시된 부분의 단면도,2 is a cross-sectional view of a portion indicated by reference numeral 100 of FIG. 1,

도 3은 질소 도핑된 이산화티타늄 분말의 엑스레이 회절 분석기(XRD) 스펙트럼,3 is an X-ray diffraction analyzer (XRD) spectrum of nitrogen doped titanium dioxide powder,

도 4는 질소 도핑된 이산화티타늄 분말의 X-Ray 광전자 스펙트럼 현미경(XPS) 사진,4 is an X-ray photoelectron spectral microscope (XPS) photograph of nitrogen doped titanium dioxide powder,

도 5는 합성된 이산화티타늄 분말의 UV-Visible 그래프이다.5 is a UV-Visible graph of the synthesized titanium dioxide powder.

〈도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명〉<Explanation of symbols about main part of drawing>

10: 마그네트론 64: 와류가스 주입구10: magnetron 64: vortex gas inlet

66: 원료가스 주입구 74: 분말 수집용기66: source gas inlet 74: powder collection container

82: 테이퍼진 도파관 84: 플라즈마82 tapered waveguide 84 plasma

88: 방전관88: discharge tube

본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 증기상의 사염화티타늄(TiCl4)으로부터 질소 도핑된 이산화티타늄(TiO2) 나노분말을 합성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing nitrogen doped titanium dioxide (TiO 2 ) nanopowder from vaporous titanium tetrachloride (TiCl 4 ) using an electromagnetic plasma torch.

더욱 상세하게는 증기상의 사염화티타늄(TiCl4)을 일정 비율의 질소/산소 혼합가스로 생성된 1기압 전자파 플라즈마 토치 속으로 통과시켜 사염화티타늄(TiCl4)을 분해하고 플라즈마 화학반응을 통하여 이산화티타늄(TiO2)을 합성함과 동시에 질소 도핑된 나노 분말을 합성하는 것이다.More specifically, the vaporous titanium tetrachloride (TiCl 4 ) is passed through a 1 atmosphere electromagnetic wave plasma torch generated by a ratio of nitrogen / oxygen mixed gas to decompose the titanium tetrachloride (TiCl 4 ) and the plasma dioxide reaction Synthesis of TiO 2 ) and at the same time to synthesize a nitrogen-doped nano-powder.

이산화티타늄(이하 "TiO2"라 한다) 나노분말의 경우 고급 안료와 광촉매로서 사용되고 있으며 또한 자외선 차단성이 우수하여 화장품, 약품 및 투명 방음판의 코팅재료로서도 사용되고 있다. 광촉매는 빛에 노출될 경우 강력한 산화, 환원력을 통해 오염원을 정화할 수 있다. 그러나 이러한 광촉매 특성이 아무 빛에서나 발생하는 것은 아니다. 자외선 파장의 빛은 모든 광원에서 존재하나 효과적인 광반응을 위해서는 UV 영역의 강도가 문제된다. 특수 목적으로 사용되고 있는 광촉매의 광원으로는 초고압수은등과 같은 UV 램프가 사용된다. 그러나 UV 램프의 경우 소모 에너지의 70％에 해당하는 양이 장파장(380 nm 이상)과 열로 소모된다. 그러므로 가 시광선에서도 광 활성화가 되는 촉매가 필요하다. 이런 TiO2에 불순물을 도핑할 경우, 에너지 밴드갭을 좁힐 수 있어 가시광 영역에서도 광촉매를 활성화 시킬 수 있다. R. Asahi 등에 의해 발표된 논문("Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titaniuim Oxides," Science Vol. 293, pp. 269-271)에 의하면 탄소(C), 질소(N), 불소(F), 인(P), 황(S), 전이금속(Fe, Cr, Ni, Nb, Mn, etc.)의 TiO2 도핑에 대해 질소가 가장 효율적인 것으로 보고 되었다. 더욱이 나노입자는 마이크론 크기(10-6 m)에서 나타나지 않는 특이한 전자적, 기계적, 광학적, 화학적, 자기적 특성들이 기대된다. 상기 설명한 나노입자의 특성들은 입자를 구성하는 원자 혹은 분자의 수가 적을수록 표면원자의 수는 내부에 있는 원자의 수와 비교하여 상대적으로 증가하게 되어 체적특성을 감소하고 표면특성이 증가하는 효과(Surface Area Effect)와 모세관 효과(Capillary Effect) 때문에 나타나는 것이 대부분이다. 따라서 나노입자와 오염원과의 접촉 면적이 증가하기 때문에 그 효과는 기존의 마이크로 사이즈의 광촉매보다 훨씬 뛰어난 효과를 보여준다. 이런 맥락에서 TiCl4는 섭씨 5000 ∼ 6000 도의 고온의 질소 전자파 플라즈마 불꽃에서 산화제와 함께 증기화 되어 고순도의 나노 분말 TiO2를 쉽게 합성할 수 있다 또한 나노 분말 TiO2를 합성하는 동시에 질소를 도핑함으로서 사용 가능 빛의 파장대가 가시광선 영역으로 확대 되어 더욱 넓은 산업 영역에서 사용할 수 있게 될 것이다.Titanium dioxide (hereinafter referred to as "TiO 2 ") nanopowders are used as high-quality pigments and photocatalysts, and are also used as coating materials for cosmetics, pharmaceuticals, and transparent soundproof panels due to their excellent UV protection. Photocatalyst can purify pollutant through strong oxidation and reducing power when exposed to light. However, these photocatalytic properties do not occur in any light. Ultraviolet light is present in all light sources, but the intensity of the UV region is a problem for effective photoreaction. As a light source of a photocatalyst used for a special purpose, a UV lamp such as an ultra-high pressure mercury lamp is used. However, in the case of UV lamps, 70% of the energy consumed is consumed by long wavelengths (380 nm and above) and heat. Therefore, there is a need for a catalyst that is photoactive even in visible light. When dopants are doped in TiO 2 , the energy band gap can be narrowed, thereby activating the photocatalyst in the visible light region. According to a paper published by R. Asahi et al. ("Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titaniuim Oxides," Science Vol. 293, pp. 269-271), carbon (C), nitrogen (N), fluorine (F), Nitrogen has been reported to be the most efficient for TiO 2 doping of phosphorus (P), sulfur (S) and transition metals (Fe, Cr, Ni, Nb, Mn, etc.). Moreover, nanoparticles are expected to have unusual electronic, mechanical, optical, chemical and magnetic properties that do not appear at micron size ( 10-6 m). The characteristics of the nanoparticles described above are such that the smaller the number of atoms or molecules constituting the particles, the more the number of surface atoms is compared with the number of atoms therein, thereby decreasing volumetric properties and increasing surface properties. This is mostly due to the Area Effect and the Capillary Effect. Therefore, since the contact area between nanoparticles and pollutants increases, the effect is much better than that of conventional microsized photocatalysts. Used by In this context, TiCl 4 is screen vapor with an oxidizing agent in a nitrogen electromagnetic plasma flame of high temperature Celsius 5000-6000 degrees can be readily synthesized in high purity nano powder TiO 2 also doped with nitrogen at the same time to synthesize the nano-powder TiO 2 The wavelength range of possible light will extend to the visible range, making it available in a wider industrial range.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고온의 열화학반응 대신 전자파 방전을 이용한 플라즈마 반응으로 증기상의 TiCl4를 산소 전자파 플라즈마 불꽃으로 통과시켜 고순도의 나노 분말 TiO2를 합성하는 동시에 질소를 도핑함으로서 가시광선 영역에서도 광촉매 활성화가 가능한 질소 도핑된 TiO2(N-Doped TiO2)를 합성하는 방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, by synthesizing a high-purity nano-powder TiO 2 by passing the vapor phase TiCl 4 through the oxygen electromagnetic plasma flame in a plasma reaction using an electromagnetic discharge instead of a high temperature thermochemical reaction. At the same time, an object of the present invention is to provide a method of synthesizing nitrogen-doped TiO 2 (N-Doped TiO 2 ) capable of photocatalytic activation in the visible region by doping nitrogen.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 통상의 2.45 ㎓ 전자파를 발진하는 마그네트론; 마그네트론에 전원을 공급하는 전원공급장치; 마그네트론으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론을 보호하는 한편, 마그네트론에서 발진된 전자파를 출력하는 순환기; 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 순환기를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기; 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스 매칭시키는 3-스터브 튜너; 3-스터브 튜너를 통해 전달된 전자파와 외부로부터 주입되는 산화제 와류가스에 의해 플라즈마가 생성되고 TiO2 합성반응 및 질소 도핑이 일어나는 반응기; 반응기 내에 플라즈마를 안정화하는 산화제 와류가스와 TiO2 합성반응에 필요한 TiCl4를 주입하는 원료공급부; 반응기로부터 질소 도핑된 TiO2 분말들이 수집되는 분말 수집부를 포함한다.One embodiment of the present invention for achieving the above object is a magnetron for oscillating a typical 2.45 GHz electromagnetic wave; A power supply for supplying power to the magnetron; A circulator that completely absorbs the reflected waves reflected by the magnetron to protect the magnetron, and outputs electromagnetic waves oscillated from the magnetron; A directional coupler for monitoring the magnitude of incident and reflected waves and outputting electromagnetic waves transmitted through the circulator; A 3-stub tuner for impedance matching against electromagnetic waves input from the directional coupler; A reactor in which plasma is generated by an electromagnetic wave delivered through a 3-stub tuner and an oxidant vortex gas injected from the outside, and a TiO 2 synthesis reaction and nitrogen doping occur; A raw material supply unit for injecting oxidant vortex gas stabilizing the plasma into the reactor and TiCl 4 necessary for the TiO 2 synthesis reaction; And a powder collector in which nitrogen-doped TiO 2 powders are collected from the reactor.

또한 본 발명의 다른 실시 예는 전자파 에너지를 전장으로 변환하고 이 전장에 플라즈마 형성 가스 및 원료가스를 노출시켜 플라즈마를 형성하여 질소 도핑된 TiO2 나노 분말을 제조하는 방법에 있어서, 마그네트론에서 발진된 전자파는 통상의 순환기, 방향성 결합기, 3-스터브 튜너를 통해 도파관으로 전송하는 제 1과정; 상기 도파관의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 도파관을 수직 관통해 설치된 방전관 또는 반응기 내에 전장을 유도하는 제 2과정; 플라즈마 가스 또는 플라즈마 안정화 가스로 이용되는 산화제 와류가스를 상기 방전관 내로 주입하는 제 3과정; 상기 와류가스와 상기 전장이 점화장치에 의해 1기압 플라즈마가 형성되도록 하는 제 4과정; TiO2 합성에 사용되는 증기상의 TiCl4를 상기 플라즈마로 유도하는 제 5과정; 합성이 이루어진 질소 도핑된 TiO2 나노 분말을 수집하는 제 6과정으로 이루어진다.In addition, another embodiment of the present invention is a method of manufacturing a nitrogen-doped TiO 2 nanopowder by converting electromagnetic wave energy into an electric field and by exposing the plasma forming gas and source gas to the electric field to form a plasma, electromagnetic waves oscillated from the magnetron The first step of transmitting to the waveguide through a conventional circulator, a directional coupler, a three-stub tuner; A second step of inducing an electric field in a discharge tube or a reactor installed by vertically penetrating the waveguide at a position ¼ of a wavelength within the tube from an end of the waveguide; A third step of injecting an oxidant vortex gas used as a plasma gas or a plasma stabilizing gas into the discharge tube; A fourth step of causing the vortex gas and the electric field to form a 1 atmosphere plasma by an ignition device; A fifth step of inducing the vapor phase TiCl 4 used for TiO 2 synthesis into the plasma; The sixth step of collecting the nitrogen-doped TiO 2 nanopowder was synthesized.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;

본 발명이 기본이 되는 것은 도 1의 블록도에서 (100)으로 표시된 부분이다. 도 1에서 전원공급장치(20)는 전자파를 발진하는 마그네트론(10)에 전력을 공급하고 마그네트론(10)에서 발진된 전자파는 순환기(30)를 지나 방향성 결합기(40)로 전송된다. 상기 순환기(30)는 마그네트론(10)으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론(10)을 보호하는 한편, 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 상기 방향성 결합기(40)로 전달한다. 방향성 결합기(40)는 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 상기 순환기(30)를 통해 전달된 전자파를 출력하며 3-스터브 튜너(50)는 상기 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스 매칭을 시켜 전자파 에너지 전달을 최대로 해준다. 상기 3-스터브 튜너(50)를 통해 전달된 전자파와 가스공급부로부터 주입되는 와류가스 및 점화장치에 의해 플라즈마가 발생되게 된다. 반응기 내에 생성된 플라즈마로 상기 원료공급부(60)로부터 질소 도핑된 TiO2 나노분말을 합성하기 위한 증기상의 TiCl4가 주입되고 플라즈마 화학반응을 통해 생성된 질소 도핑 된 TiO2 나노분말은 분말 수집부(70)에서 수집된다.The basis of the present invention is the portion indicated by (100) in the block diagram of FIG. In FIG. 1, the power supply device 20 supplies power to the magnetron 10 that oscillates electromagnetic waves, and the electromagnetic waves oscillated from the magnetron 10 are transmitted to the directional coupler 40 through the circulator 30. The circulator 30 completely absorbs the reflected waves reflected by the magnetron 10 to protect the magnetron 10, and transmits the electromagnetic waves oscillated from the magnetron 10 to the directional coupler 40. The directional coupler 40 monitors the magnitudes of the incident and reflected waves, while outputting the electromagnetic waves transmitted through the circulator 30, and the 3-stub tuner 50 matches the impedances of the electromagnetic waves input from the directional coupler 40. To maximize electromagnetic energy transfer. Plasma is generated by the electromagnetic wave transmitted through the 3-stub tuner 50 and the vortex gas and the ignition device injected from the gas supply unit. In a plasma generated in the reactor TiO 2 nano powder is the raw material supply section (60) TiCl vapor phase 4 for synthesizing the TiO 2 nano powder with nitrogen doping from the implanted and the nitrogen produced by the plasma chemical reaction doping portions powder collected ( In 70).

도 2는 도 1에서 (100)으로 표시한 부분의 단면도이다. 도 1에서 3-스터브 튜너(50)를 통해 출력된 전자파(86)는 도파관(82)을 통해 방전관(88)으로 유입되며 상기 방전관(88)은 석영 및 알루미나와 같은 유전체로 구성된다. 상기 방전관(88)은 도파관(82)의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 도파관(82)을 수직관통해 설치되어져 있다. 방전관(88)은 스테인레스 스틸 및 황동과 같은 금속 재질로 구성된 홀더(62)에 장착되며 홀더(62)에는 와류가스주입구(64) 및 여러 가지의 가스주입구들이 설치되어 있다. 상기 와류가스주입구(64)는 단일 또는 복수개로 구성될 수 있으며 와류가스주입구(64)를 통해 주입된 와류가스는 방전관(88) 내에 생성된 플라즈마(84)를 안정화시키는 동시에 고온의 플라즈마에 의한 방전관(88)의 손상을 막아준다. 예를 들어, 질소 도핑 된 TiO2 나노분말 합성 시에는 산화제 가스로서 산소 또는 공기, 질소 도핑을 위한 질소 가스가 주입된다. 아르곤 가스의 버블링에 의해 원료가스주입구(66)를 통해 증기상의 TiCl4가 주입되고 보조가스주입구(68)를 통해 TiO2 나노분말의 결정성과 아나타제(Anatase)의 수율을 제어할 수 있도 록 수소가스가 주입된다. TiCl4 버블링을 위한 아르곤 가스의 양을 조절하여 TiO2분말의 수율을 증가시킬 수 있다. 상기 증기상의 TiCl4와 수소가스의 혼합이 잘 이루어지도록 보조가스주입구(58)를 통해 아르곤 가스가 주입되고 혼합된 가스들이 상기 플라즈마(84) 불꽃의 중심을 통과할 수 있도록 유도관(56)을 통해 주입된다. 상기 플라즈마(84)를 통과하면서 합성된 질소 도핑 TiO2 나노분말은 분말수집부(74)를 통해 냉각되고 수집되며 필터(76)을 통해 질소 도핑 된 TiO2 나노분말이 걸러지고 배기가스는 배출된다.2 is a cross-sectional view of the portion denoted by (100) in FIG. In FIG. 1, the electromagnetic wave 86 output through the three-stub tuner 50 flows into the discharge tube 88 through the waveguide 82, and the discharge tube 88 is formed of a dielectric such as quartz and alumina. The discharge tube 88 is provided through the waveguide 82 in a vertical position at a quarter of the wavelength inside the tube from the end of the waveguide 82. The discharge tube 88 is mounted to a holder 62 made of metal such as stainless steel and brass, and the vortex gas inlet 64 and various gas inlets are installed in the holder 62. The vortex gas inlet 64 may be composed of a single or a plurality of vortex gas injected through the vortex gas inlet 64 stabilizes the plasma 84 generated in the discharge tube 88 and at the same time discharge tube by high temperature plasma (88) prevents damage. For example, when synthesizing nitrogen doped TiO 2 nanopowders, oxygen, air or nitrogen gas for nitrogen doping is injected as an oxidant gas. Vapor phase TiCl 4 is injected through the source gas inlet 66 by argon gas bubbling, and hydrogen can be controlled through the auxiliary gas inlet 68 to control the crystallinity of the TiO 2 nanopowder and the yield of anatase. Gas is injected. The yield of TiO 2 powder can be increased by adjusting the amount of argon gas for TiCl 4 bubbling. Argon gas is injected through the auxiliary gas inlet 58 so that the TiCl 4 and hydrogen gas in the vapor phase are well mixed, and the induction pipe 56 is provided to allow the mixed gases to pass through the center of the flame of the plasma 84. Is injected through. The nitrogen-doped TiO 2 nanopowder synthesized while passing through the plasma 84 is cooled and collected through the powder collector 74, and the nitrogen-doped TiO 2 nanopowder is filtered through the filter 76 and exhaust gas is discharged. .

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 본 발명의 범위가 하기 실시 예만으로 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited only to the following examples.

〈실시 예〉<Example>

도 3, 4, 5는 본 발명을 이용한 실험을 실시한 결과를 제시하고 있다. 사용된 장치는 도2와 같으며 전자파 플라즈마 토치의 파워는 1 ㎾이다. 와류가스 주입구로 주입되는 가스는 질소가 분당 10리터, 산소가 800 sccm(standard cubic centilmeter per minute)이 주입되었다. 액체상의 TiCl4는 아르곤 200 sccm으로 버블링하여 증기상으로 주입되었으며 보조 아르곤 가스는 분당 4 리터가 주입되었다. 이 실시 예에서는 보조 수소가스는 200 sccm이 주입되었다. 도 3은 합성된 분말의 엑스레이 회절분석기(XRD)의 스펙트럼이다. 이 스펙트럼에서 A는 아나타제(Anatase), R은 루타일(Rutile)을 나타낸다. 합성된 분말에서 아나타제의 함량은 70％, 루타일은 30％이다. 도 4는 합성된 나노분말의 엑스레이 광전자 스펙트럼 현미경(XPS)의 데이터이다. 질소는 대부분 원자상태로 TiO2에 도핑되어 있는 것을 알 수 있다. 도 5는 자외선 및 가시광선 분광광도계(UV-Visible spectrophotometer)의 데이터이다. 도핑되지 않은 TiO2 분말에 비해 흡수도가 500 nm 영역으로 이동된 것을 알 수 있다.3, 4 and 5 show the results of experiments using the present invention. The apparatus used is as shown in Figure 2 and the power of the electromagnetic plasma torch is 1 kW. The gas injected into the vortex gas inlet was filled with 10 liters of nitrogen per minute and 800 sccm (standard cubic centilmeter per minute) of oxygen. TiCl 4 in the liquid phase was injected into the vapor phase by bubbling with 200 sccm of argon and 4 liters of auxiliary argon gas per minute. In this example, 200 sccm of auxiliary hydrogen gas was injected. 3 is a spectrum of an X-ray diffractometer (XRD) of the synthesized powder. In this spectrum, A represents anatase and R represents rutile. In the synthesized powder, the content of anatase is 70% and rutile is 30%. 4 is data of an X-ray photoelectron spectral microscope (XPS) of the synthesized nanopowder. It can be seen that nitrogen is mostly doped in TiO 2 atomically. FIG. 5 is data of an ultraviolet and visible spectrophotometer (UV-Visible spectrophotometer). FIG. It can be seen that the absorbance shifted to the 500 nm region compared to the undoped TiO 2 powder.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 질소 도핑된 TiO2 나노분말을 열화학적인 방법에 의존하지 않고 1기압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 플라즈마 화학반응 방법에 의하여 증기상의 TiCl4를 산화제 가스와 반응시켜 나노분말의 질소 도핑된 TiO2를 합성하는 기술을 제공하고 이로부터 대량생산의 방법을 제공하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the nitrogen-doped TiO 2 nanopowder is reacted with the oxidant gas by vaporizing TiCl 4 in the vapor phase by a plasma chemical reaction method using a 1 atm electromagnetic plasma torch without depending on a thermochemical method. There is an effect of providing a technique for synthesizing doped TiO 2 and from there providing a method of mass production.

Claims (6)

전자파 에너지가 전장을 유도하고 이 전장을 이용하여 플라즈마를 형성하고 질소 도핑된 TiO2 나노분말을 합성하는 방법에 있어서,Electromagnetic energy induces electric field, forms a plasma using the electric field, and synthesizes nitrogen-doped TiO 2 nanopowder. 마그네트론에서 발진된 전자파는 통상의 순환기, 방향성 결합기, 3-스터브 튜너를 통해 도파관으로 전송하는 제 1과정;The first step of transmitting the electromagnetic wave oscillated in the magnetron to the waveguide through the conventional circulator, directional coupler, three-stub tuner; 상기 도파관의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 도파관을 수직관통해 설치된 방전관 내에 전장을 유도하는 제 2과정;A second step of inducing an electric field in a discharge tube installed through the waveguide vertically at a position ¼ of a wavelength within the tube from an end of the waveguide; 플라즈마 가스 또는 산화제 가스로 이용되는 와류가스를 상기 방전관 내로 주입하는 제 3과정;A third step of injecting a vortex gas used as a plasma gas or an oxidant gas into the discharge tube; 상기 와류가스와 상기 전장이 점화장치에 의해 1기압 플라즈마가 형성되도록 하는 제 4과정;A fourth step of causing the vortex gas and the electric field to form a 1 atmosphere plasma by an ignition device; TiO2 나노분말 합성에 사용되는 아르곤 가스에 의해 버블링된 TiCl4 원료가스와 보조 아르곤 및 수소가스를 상기 플라즈마로 유도하는 제 5과정;A fifth step of introducing TiCl 4 source gas bubbled with argon gas used for TiO 2 nanopowder synthesis, auxiliary argon and hydrogen gas into the plasma; 합성이 이루어진 질소 도핑된 TiO2 나노분말을 수집용기에 수집하는 제 6과정을 포함하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.The synthesis of nitrogen-doped using an electromagnetic wave plasma torch comprising a sixth step of collecting consisting of nitrogen-doped TiO 2 nano powder in a collecting vessel TiO 2 nano powder synthesis. 제 1항에 있어서, 상기 마그네트론은,The method of claim 1, wherein the magnetron, 2.45 ㎓의 작동 주파수에서 출력이 1 ∼ 10 ㎾인 전자파를 발진시키는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.A method for synthesizing nitrogen-doped TiO 2 nanopowders using an electromagnetic plasma torch, characterized by oscillating electromagnetic waves with an output of 1 to 10 Hz at an operating frequency of 2.45 Hz. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 와류가스가 주입되는 와류가스주입구로 질소 도핑가스 질소와 산화제로 산소 또는 공기를 주입하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.Method for synthesizing nitrogen doped TiO 2 nanopowder using an electromagnetic plasma torch, characterized in that to inject the oxygen doping gas nitrogen and oxygen or air into the vortex gas inlet for the vortex gas is injected. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 증기상의 TiCl4 원료가스가 플라즈마 불꽃에서 산화제 가스와 빠른 혼합이 이루어지도록 보조 아르곤 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.A method of synthesizing nitrogen-doped TiO 2 nanopowder using an electromagnetic plasma torch, wherein the vaporized TiCl 4 source gas is injected with an auxiliary argon gas so as to rapidly mix with an oxidant gas in a plasma flame. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, TiO2 나노분말의 결정성을 높일 수 있도록 보조가스의 하나로 수소를 주입하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소 도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.TiO 2 nitrogen-doped TiO 2 nano powder synthesis method using an electromagnetic wave plasma torch characterized in that the introduction of hydrogen as one of the auxiliary gas to increase the crystallinity of the nano-powder. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, TiCl4의 버블링으로 사용되는 아르곤 가스의 량을 제어하여 TiO2 나노분말의 수율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 질소도핑된 TiO2 나노분말 합성 방법.A method for synthesizing nitrogen-doped TiO 2 nanopowders using an electromagnetic plasma torch, wherein the yield of TiO 2 nanopowders can be increased by controlling the amount of argon gas used for bubbling TiCl 4 .
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