KR20090119131A - 이산화티타늄 광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된이산화티타늄 광촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄 광촉매의 제조방법과 이에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 단계에 걸쳐 산-염기 촉매를 투입하는 졸-겔법에 의해 특별한 첨가제 없이도 메조다공성을 증가시키고, 건조시 아나타제형이 생성되며 고온에서 소성하여도 아나타제형이 유지가 되는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매에 관한 것이다.
또한, 상기 방법을 이용하여 제조된 황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매는 가시광선에서도 촉매활성을 띄며, 표면특성등이 우수하여 촉매활성이 향상된다.
이산화티타늄, 황, 지르코늄, 졸-겔법, 광촉매
Description
본 발명은 이산화티타늄 광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매에 관한 것으로, 구체적으로는 두 단계에 걸쳐 산과 염기를 투입하는 졸-겔법을 이용한, 메조다공성 및 표면특성을 향상시키고 고온에서도 아나타제 결정구조를 유지시키는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매에 관한 것이다. 또한, 가시광선영역에서도 촉매활성을 갖고, 표면적, 세공 크기, 세공 부피등 표면 특성 및 촉매 활성이 향상된 황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매에 관한 것이다.
1972년 도쿄대의 Honda와 Fujishima에 의해 이산화티타늄 광촉매를 이용한 물의 분해반응이 Nature 지에 보고된 이래로, 현재까지 이산화티타늄과 같은 반도체물질을 이용한 새로운 광촉매의 연구가 학술적인 목적 또는 상업적인 목적으로 꾸 준히 진행되어오고 있다. 특히 현재 각광을 받고 있는 나노 테크놀로지를 접목한 이산화티타늄 광촉매는 주로 세계적으로 심각한 환경오염물질을 제거하는 수단으로서 사용되어져 왔으며, 최근에는 에너지저장물질의 가능성이 보고가 되어서 이를 이용한 연구는 계속적으로 진행되어질 것으로 예상된다. 하지만, 이산화티타늄이 광촉매로서 역할을 하기 위해서는 자외선 영역의 짧은 파장의 빛이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 이유로 인해서 현재 순수한 이산화티타늄을 개질하여 가시광선에서도 광촉매활성을 가질 수 있는 광촉매물질의 개발이 꾸준히 이루어지고 있다. 현재 알려진 이산화티타늄의 개질방법으로는 금속 또는 비금속물질의 도핑, 이산화 티타늄의 표면 개질 및 다른 반도체물질과의 복합체형성등이 있다.
우선 금속물질을 도핑한 이산화티타늄은 오래전부터 널리 연구가 되어졌다. 대부분의 금속물질에 의해서 밴드갭이 줄어드는 게 관찰이 되어 가시광선에서 반응이 일어날 것으로 예상이 되지만, 사용한 금속의 종류 및 금속의 양에 따라서 빛으로 형성된 전자와 정공이 따로 존재하는 시간이 상대적으로 일반 이산화티타늄보다 짧아질 가능성이 있어 반응성이 떨어진다고 알려져 있다. 이를 보완하기 위한 시도가 비금속물질을 도핑한 이산화티타늄 광촉매이다. 최근 사이언스지에 질소, 탄소등과 같은 비금속물질을 이산화티타늄에 도핑을 하게 되면 밴드갭이 낮아져 가시광선에서 반응성이 월등해진다고 보고가 된 후, 급속도로 이에 관련한 연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다.
최근에는 비금속물질만을 이용한 이산화티타늄을 벗어나, 금속과 비금속 물질을 동시에 도핑하여 더 좋은 촉매활성을 가지는 이산화티타늄 광촉매가 시도되고 있으나 아직 초기 단계이며 적절한 조합을 찾으려는 연구가 계속 진행중이다.
상기의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 건조시 아나타제 구조가 생성될 뿐 아니라 고온에서도 안정된 아나타제 구조를 유지하고 메조다공성 및 표면특성이 향상된 이산화티타늄 광촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 가시광선에서도 촉매활성을 띄고 표면특성 및 촉매활성이 향상된 황과 지르코늄이 도핑된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매를 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은,
(1) 티타늄 알콕사이드가 유기 용매에 용해된 용액에 산, 물 및 유기용매를 혼합한 용액 A를 한 방울씩 교반하면서 투입하여 전체 용액의 pH가 0.5 내지 2.0이 되도록 하는 단계;
(2) 상기 A용액의 투입 후, 교반하면서 12 내지 48시간동안 반응시켜 졸을 형성하는 단계;
(3) 상기 반응 후에 염기 수용액을 용액의 pH가 6.0 내지 10.0이 되도록 0.05 내지 0.5 ml/sec의 속도로 한 방울씩 교반하면서 투입하여 겔로 만드는 단계;
(4) 상기 (3)단계에서 형성된 겔을 110℃에서 12시간동안 건조시키고 분쇄하여 파우더로 만드는 단계; 및
(5) 상기 파우더를 350 내지 800℃에서 소성하는 단계를 포함하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법을 제공한다.
상기 (3)단계 후에 (3)단계에서 형성된 겔을 2 내지 5시간 숙성(aging)시키고 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (1)단계에서 티타늄 알콕사이드와 물의 몰비는 1:10 내지 1:30이 되도고 상기 A용액을 투입한다.
또한, 본 발명은 상기 (1)단계에서 금속원(metal source) 및 비금속원(nonmetal source)을 포함한 유기 용액 B를 A와 동시에 한 방울씩 투입하는 단계를 더 포함하여 금속과 비금속이 도핑되도록 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하고자 본 발명은,
상기의 제조방법에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하고자 본 발명은
황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매 는 이산화티타늄 100중량부에 대하여 지르코늄이 0.5 내지 6중량부로 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매는 이산화티타늄 100중량부에 대하여 상기 황이 0.1 내지 1.5중량부로 도핑될 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 특별한 첨가제를 사용하지 않아도 메조다공성 및 표면특성이 개선되고 고온에서 소성 가능한 촉매활성이 향상된 나노크기의 광촉매의 제조가 가능해지므로 수입 광촉매를 대체할 수 있을 것으로 보인다.
본 발명에 의해 제조된 지르코늄과 황이 도핑된 이산화티타늄 광촉매는 가시광선하에서도 촉매 활성을 띄며, 표면적, 세공크기 및 세공부피등 표면 특성이 향상되어 우수한 광촉매 활성을 가진다. 따라서, 특별한 에너지를 가하지 않고 빛만으로 오염물질인 유해 유기물과 새집증후군을 유발하는 VOC등의 분해가 가능하다. 또한, 각종 병원균의 내성 증가로 위협받고 있는 위생 문제에 있어서도 살균, 항균용으로도 이용가능하고 물을 광분해시켜 수소와 산소를 생성함으로써 차세대 에너지와 환경문제에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
이산화티타늄 광촉매 제조방법 중 졸-겔법은 제조과정중에 입자의 물리적, 화학적 성질을 조절할 수 있어 가장 폭넓게 이용되고 있다. 본 발명은 종래의 졸-겔법과 달리 두 단계에 걸쳐 산과 염기 촉매를 투입하는 졸-겔법을 이용하여 메조다공성, 결정성 및 고온안정성을 향상시키는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는 하기와 같은 방법으로 이산화티타늄을 제조하였다. 도 2는 이를 간략하게 도식화한 것이다.
(1) 티타늄 알콕사이드가 유기 용매에 용해된 용액에 산, 물 및 유기용매
를 혼합한 용액 A를 한 방울씩 교반하면서 투입하여 전체 용액의 pH가
0.5 내지 2가 되도록 한다.
(2) 상기 A용액의 투입 후, 교반하면서 12 내지 48시간동안 반응시켜 졸을
형성한다.
(3) 상기 반응 후에 pH가 6 내지 10이 되도록 염기 수용액을 한 방울씩
0.05 내지 0.5 ml/sec의 속도로 교반하면서 투입하여 겔로 만든다.
(4) 상기에서 형성된 겔을 건조시키고 분쇄하여 파우더로 만든다.
(5) 상기 파우더를 350 내지 800℃에서 소성하여 이산화티타늄 광촉매를
제조한다.
본 발명의 제조방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 (1)단계에서 용액 A를 투입하여 투입 후에 용액의 초기 pH가 0.5 내지 2 가 되도록 산의 양을 조절하는 것이 중요하다. 바람직하게는 용액의 pH가 0.8이 되도록 한다. 금속알콕사이드를 원료로 하는 졸-겔법은 가수분해와 축합중합이 동시에 일어나는 것으로 산 또는 염기 촉매의 양, 용매의 종류, 반응온도등 다양한 인자의 조절을 통하여 반응 속도나 입자의 물성을 제어할 수 있다. 본 발명에서는 산 촉매를 과량 첨가하여 초기 pH를 종래 졸-겔법보다 많이 낮추어 중합반응의 속도를 지연시켰고 이로 인해 졸상태가 안정화 되도록 하였다. 상기 범위 이하로 pH가 낮으면 마이크로 포어가 많이 생성되게 되고 상기 범위보다 초기 pH가 높으면 반응속도가 지연되는 효과가 작아 메조포어나 결정성의 증가율이 작다.
상기 (1)단계에서 티타늄 알콕사이드와 물은 1:10 내지 1:30의 몰비가 되도록 A용액을 투입하는 것이 바람직하다. 상기 범위 이하로 첨가되면 반응이 완료되지 못하여 결정형이 아닌 무정형의 이산화티타늄이 생성될 수 있고 상기 범위 이상이면 티타늄의 농도가 낮아 생산성이 떨어질 수 있다.
상기 (1)단계에서 상기 티타늄 알콕사이드는 테트라에틸 올소티타네이트, 티타늄 테트라이소프로폭사이드 및 테트라부틸 올소티타네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 테트라부틸 올소티타네이트가 사용될 수 있다.
상기 유기용매로는 탄소원자수 1 내지 6의 지방족 알코올을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올등이 있으며, 바람직하게는 에탄올이 사용될 수 있다.
상기 산은 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용되고 있는 것이면 특별한 제한 없이 사용가능하며 구체적으로는, 질산, 염산, 인산, 아세트산, 포름산, 탄산 및 황산등이 사용될 수 있으며, 아나타제형 이산화티타늄의 제조를 위해서는 질산, 염산 또는 황산이 바람직하고, 더 바람직하게는 염산이 사용될 수 있다.
상기 (2)단계에서는 티타늄 알콕사이드가 포함된 유기 용액에 용액 A의 투입을 완료한 후 12 내지 48시간 동안 반응시켜 졸을 형성시켰다. 반응시간이 12시간이상이 되면 투명한 용액이 불투명해지면서 졸이 형성되기 시작하고 반응시간이 길어짐에 따라 졸상태가 안정화 된다. 상기 시간을 초과하면 더 이상 졸 상태에 변화가 없다. 24시간을 반응시켰을 때가 촉매의 활성이 가장 크므로 바람직하게는 24시간을 반응시킨다.
상기 (3)단계에서는 염기 수용액을 교반하면서 한 방울씩 투입하여 pH가 6 내지 10이 되도록 한다. (3)단계는 상기 (2)단계에서는 졸이 형성되고 염기가 첨가되기 전까지는 겔이 형성되지 않으므로 염기를 첨가하여 겔을 형성시키는 단계이다. 이 때, 염기 수용액은 0.05 내지 0.5 ml/sec의 속도록 한 방울씩 투입하여 pH가 점진적으로 상승되게 한다. 바람직하게는 pH가 9가 되도록 한다. 염기의 첨가로 pH가 상승됨에 따라 중합반응이 진행되고 겔 형성속도가 빨라지게 된다. 따라서, 염기 수용액을 상기의 속도로 한 방울씩 투입하여 pH를 점진적으로 증가시켜 졸상태에서 겔로 천천히 변화하도록 하였다. 반응이 천천히 진행될수록 결정화도가 증가되는 경향이 나타나며, 결정화도가 증가될수록 전자와 정공의 재결합 시간이 지연되어 촉매의 활성이 증가될 것으로 기대된다. 또한, pH가 높으면 pH가 낮을 때에 비해 여러 가지 결정구조가 생성되지 아니하고 아나타제 구조만이 안정되게 생성된다. 최종 pH가 6 이상일 때 아나타제형이 지배적으로 생성되며, pH가 10보다 높으면 밴드 갭 에너지가 증가하는 경향이 있다.
상기 염기는 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용되고 있는 것이면 특별한 제한 없이 사용가능하며, 구체적으로는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아 및 아민등이 있다. 바람직하게는 수산화암모늄이 사용될 수 있다.
상기 (3)단계 후에 (3)단계에서 형성된 겔을 2 내지 5시간 숙성(aging)시키고 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 겔이 형성된 후 2시간 정도 aging을 하게 되면 겔 내부의 액체가 방출되어 겔의 부피가 줄고 겔이 수축하게 된다. 이런 과정을 통해 겔은 더 단단하고 강해지며 숙성중에 용해와 재석출에 의해 구조의 재배열이 일어나 결정화도는 증가하게 된다. 남아있는 찌거기를 제거하기 위해 aging후 세척을 한다.
상기 (4)단계에서는 세척 후에 겔을 12시간동안 110℃에서 건조하고 분쇄하여 파우더를 만든다. 종래의 졸-겔법에 의하면 건조후에도 무정형이나 본 발명의 제조방법에 의하면 상기 건조후에 아나타제형 결정구조가 나타난다.
상기 (5)단계는 상온에서 제조된 티타늄의 일부는 아나타제형으로 존재하지 않고 비정질이므로, 상 제어를 위해 350 내지 800℃의 고온에서 소성을 하여 결정화시키고 아나타제형 TiO2를 제조하는 단계이다. 종래 졸-겔법에 의해 제조된 티타늄은 상제어를 위해 가열하는 경우 입자의 크기가 커지고 비표면적이 감소하는등 촉매활성이 없어졌다. 또, 아나타제형 결정구조가 유지되지 않아 400℃전후가 그 한계였다. 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매의 경우 800℃의 고온에서 소성하여도 다른 결정구조는 나타나지 않고 아나타제 결정구조가 유지된다. 따라서 고온에서 소성이 가능하므로 결정성이 향상되고 이로 인해 전자와 정공의 재결합 속도를 늦춰 촉매활성도 증가하게 된다.
본 발명은 상기 (1)단계에서 금속원과 비금속원을 포함하는 유기용액 B를 A와 동시에 한 방울씩 투입하는 단계를 더 포함하여 금속과 비금속이 동시에 도핑되도록 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 지르코늄원과 황원을 포함하는 유기용액 B를 A와 동시에 한 방울씩 투입하여 황과 지르코늄이 도핑된 이산화티타늄 광촉매를 제조할 수 있다.
상기 지르코늄원은 지르코늄 아세틸아세토네이트, 지르코늄 클로라이드 및 지르코닐 클로라이드 하이드레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 지르코늄 아세틸아세토네이트를 사용할 수 있다.
상기 황원은 티오우레아, 티오아세트아마이드 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 티오우레아를 사용할 수 있다.
종래의 졸-겔법에서는 산 또는 염기 촉매를 사용하여 이산화티타늄 광촉매를 제조한다. 산 촉매를 사용하면, 입자사이즈가 작고, 표면적이 증가하는 장점이 있으나, 아나타제와 브루카이트상이 동시에 존재하게 되고 산 촉매가 과량 사용되면 세공사이즈가 작아져 나노포어가 된다. 염기 촉매의 경우에는 메조포어가 형성되나 고온에서 소성하면 메조다공성이 감소하게 된다.
본 발명에서는 두 단계에 걸쳐 산과 염기를 투입하여 pH를 점진적으로 변화시키면서 중합반응 속도를 늦춘 졸-겔법을 이용하여 메조다공성이 증가된 촉매를 제조하였다. 통상적으로 촉매 제조시 메조다공성을 증가시키기 위해 유,무기계 바인더등 첨가제를 사용하는데, 본 발명의 졸-겔법에 의하면 특별한 첨가제를 사용하지 않고도 메조다공성이 증가된 광촉매의 제조가 가능하다. 메조포어는 입자 내에 존재하는 기공의 크기가 2 나노미터 이상, 50 나노미터 이하인 기공으로, 2 나노미터 이하의 마이크로 포어의 경우 커다란 물질을 포함하기에는 크기가 너무 작고, 기공 입구가 막히기 쉽다는 단점이 있다. 50 마이크로 미터 이상의 매크로 포어의 경우에는 상대적으로 표면적이 낮고, 효율적 촉매화학반응을 일으키기에는 기공의 크기가 너무 큰 경우가 많아 메조 포어가 촉매반응에 적합하다.
이산화티타늄의 결정구조로는 크게 아나타제(anatase), 루타일(rutile) 및 브 루카이트(brookite)가 있으며, 이 중 아나타제형 결정구조를 가지는 이산화티타늄이 활성이 우수하다. 2단계에 걸쳐 산과 염기 촉매를 투입하는 본 발명의 졸-겔법에 의하면 아나타제형 이산화티타늄이 제조된다. 종래의 졸-겔법으로 제조된 이산화티타늄 광촉매의 경우 소성전에는 아나타제 구조가 생성되지 않는 데 반해 본 발명의 제조방법으로 제조된 이산화티타늄 광촉매의 경우 소성전 건조시에 아나타제 결정구조만이 생성되고 고온에서 소성하여도 아나타제 결정구조가 유지된다. 또한, 고온에서 소성하여도 메조다공성도 유지되어 고온에서의 소성이 가능해짐에 따라 결정화도를 증가시킬 수 있고, 이로 인해 전자와 정공의 재결합 속도를 늦출수 있어 촉매의 활성이 증대되게 된다.
본 발명의 2단계에 걸쳐 산-염기 촉매를 투입하는 졸-겔법으로 제조된 황과 지르코늄이 도핑된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매는 가시광선하에서도 촉매활성을 나타낸다. 또한, 상기 방법으로 제조된 다른 촉매와 마찬가지로 메조다공성이 증가되며 건조시 아나타네형 결정구조가 생성되고, 고온에서도 아나타제형 결정구조를 유지하게 된다.
본 발명은 황과 지르코늄이 도핑된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매를 제공한다.
황과 지르코늄이 도핑된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매는 상기 본 발명의 제조방법 외에도 당업자에게 통상적으로 알려진 방법, 예를 들면 종래의 졸 -겔(sol-gel)법으로 제조가 가능하다.
이산화티타늄은 특정 이상의 에너지(자외선)를 받게 되면, 전자(e-)와 정공(h+)이 형성이 된다. 이때 형성된 정공에 의해서 하이드록시(OH.)라디칼이 형성이 되고, 이렇게 형성된 하이드록시 라디칼(OH.)에 의해서 유기물질들이 분해가 되는 것이다. 하지만 이산화티타늄이 광촉매로서 역할을 하기 위해서는 자외선 영역의 짧은 파장이 필요한데 태양 광선의 대부분은 가시광선이므로 가시광선 하에서도 활성을 나타내는 촉매의 개발이 요구된다. 도 1은 가시광선 광촉매의 반응원리에 대해서 도식화 한 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 금속 또는 비금속 물질의 도핑을 통해서, 전자와 정공이 분리되는 에너지(밴드갭 에너지)를 줄여주어 자외선보다 약한 빛 즉, 가시광선에서 반응이 일어나도록 해주는 것이 그 반응원리라 할 수 있다.
본 발명에서는 황과 지르코늄을 도핑하여 밴드갭 에너지를 줄임으로 가시광선 영역에서도 광촉매 활성을 나타낼 뿐 아니라 촉매 활성을 향상시켰다. 황과 지르코늄의 도핑으로 TiO2 구조안의 Ti4 + 또는 O2 - 가 Zr4 + 과 S2 - 로 치환되고 Zr,S-TiO2는 높은 격자 에너지를 가지게 되어, 격자 안에 뒤틀림이 나타나게 될 것이다. 격자의 뒤틀림으로 인해, 아마도 Zr,S-TiO2. 표면에 산소의 결손점과 같은 구조적 결함이 나타나게 될 것이다. 격자 안에 결손점이 형성되면 촉매 표면에 존재하는 산소가 떨어져 나와 빛을 조사할 때 형성되는 정공과 결합을 하게 되고 정공에 의해 O-로 변하게 되고 연속적으로 O로 변하게 된다. 이렇게 형성된 O는 촉매표면의 유기물질 과 반응하여 유기물질을 분해하므로 도핑이 없는 촉매보다 우수한 촉매 활성을 가진다고 할 수 있다.
또한, 에너지를 받아 형성된 전자와 정공이 다시 결합할 확률이 증가하게 되면, 촉매활성은 떨어지게 되므로, 이것 또한 개선해주는 것이 더 좋은 가시광선 광촉매를 만들기 위한 조건이라 할 수 있다. 지르코늄의 경우 전자와 정공의 재결합 속도를 늦추는 효과가 있어 촉매활성은 더욱 증가하게 된다.
본 발명에서는 황과 지르코늄을 도핑하여 표면적, 입자크기 및 세공크기등 표면특성을 향상시켰다. 지르코늄이 도핑되어 소성 과정에서 야기되는 결정의 성장을 막아 촉매의 다공성을 유시시켜 촉매 표면적이 증가되는 효과가 있고, 지르코늄의 양이 증가할수록 평균 결정입자의 크기도 작아지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 지르코늄과 황이 도핑된 이산화티타늄 광촉매는 이산화티타늄 100중량부에 대하여 지르코늄이 0.5 내지 6중량부로 도핑될 수 있다. 상기 범위 이하로 도핑되면 지르코늄의 함량이 작아 촉매의 표면특성 향상 효과가 미비하며, 상기 범위 이상으로 도핑되면 촉매활성이 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 지르코늄과 황이 도핑된 이산화티타늄 광촉매는 이산화티타늄 100중량부에 대하여 황이 0.1 내지 1.5중량부로 도핑될 수 있다. 상기 범위 이하로 도핑되면 가시광선영역에서 활성을 띄지 않으며, 상기 범위 이상으로 도핑되면 지르코늄으로 도핑되는 양이 작아져 표면특성 향상 효과등이 감소해 촉매활성이 감소할 수 있다.
이하 실시예와 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이는 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
< 실시예 1 >
하기와 같은 두 단계에 걸쳐 산과 염기를 투입하는 졸-겔법을 이용하여 이산화티타늄 광촉매를 제조하였다.
(1) 에탄올(140 ml)에 테트라부틸 올소타이타네이트( Ti(O-nBu)4, 21.3 mL, 62.5 mmol)를 녹여 Ti(O-nBu)4 용액을 만든다.
(2) 에탄올(70 mL)에 증류수(22.0 mL,1.2 mol)와 염산 수용액(6.0 mL,0.20 mol)을 첨가한 용액 A를 만들고, A를 앞서 만들어 놓은 Ti(O-nBu)4 용액에 한 방울씩 교반하면서 투입하여 pH가 0.8이 되도록 한다. 투입 완료후에도 24시간동안 실온해서 교반을 시켜준다.
(3) 상기 A용액이 혼합된 Ti(O-nBu)4 용액에 1 M NH4OH 용액을 반응용액의 pH가 9.0가 될 때까지 한 방울씩 넣어주면서 교반을 하여준다. 용액은 점차 겔로 변화가 되며, 겔이 관찰이 되면, 2시간동안 Aging을 해준다. 그 후 필터를 통해서 남은 용액을 제거를 해주고, 증류수를 이용, 남아있는 여러 가지 찌꺼기를 제거를 해준다.
(4) 상기 겔을 12시간동안 110도에서 건조를 시켜주고, 건조된 겔은 분쇄하여 파우더로 만든다.
(5) 이렇게 만들어진 파우더를 1분에 1도씩 온도를 상승시켜가면서, 450도 또는 600도에 이르렀을 때, 5시간동안 소성을 하여 TiO2를 제조하였다.
< 실시예 2 >
에탄올(70 mL)에 지르코늄 아세틸아세토네이트(Zr(acac)4, 0.15 g, 0.30 mmol)와 티오우레아 (2.38 g, 31.25 mmol)을 넣어 녹인 용액 B를 만들어 상기 실시예 1의 (2)단계에서 A용액과 같이 한 방울씩 투입하여 지르코늄이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 0.5 중량부로 도핑된 0.5Zr,S-TiO2 를 제조하였다.
< 실시예 3 >
실시예 2와 같은 방법으로 지르코늄이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 1 중량부로 도핑된 1Zr,S-TiO2,를 제조하였다.
< 실시예 4 >
실시예 2와 같은 방법으로 지르코늄이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 3중량부로 도핑된 3Zr,S-TiO2를 제조하였다.
< 실시예 5 >
실시예 2와 같은 방법으로 지르코늄이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 5중량부로 도핑된 5Zr,S-TiO2를 제조하였다.
< 실시예 6 >
상기 실시예 2에서 B용액 제조시 지르코늄 아세틸아세토네이트를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 황만 도핑된 이산화 티타늄 광촉매를 제조하였다.
< 실시예 7 >
상기 실시예 2에서 B용액 제조시 티오우레아를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 지르코늄만 도핑된 이산화 티타늄 광촉매를 제조하였다.
< 비교예 1 >
실시예 1의 방법이 아닌 종래의 졸-겔법인 하기와 같은 방법으로 이산화티타늄 광촉매를 제조하였다.
(1) 플라스크에 증류수 180ml를 넣고 교반하면서 에탄올(10 ml)에 테트라부틸 올소타이타네이트(Ti(O-nBu)4, 30 mL)를 녹여서 제조한 Ti(O-nBu)4 용액을 공급한다.
(2) 상기 Ti(O-nBu)4 용액의 공급이 끝나자마자 염산 2ml를 첨가하고 12시간 정도 실온에서 교반한다.
(3) 교반후 12시간동안 110℃에서 건조를 시켜주고, 건조된 겔은 분쇄하여 파우더로 만든다.
(5) 이렇게 만들어진 파우더를 1분에 1도씩 온도를 상승시켜가면서, 400℃에서 5시간동안 소성을 하여 TiO2를 제조하였다.
< 실험예 1 >
합성된 촉매의 특성을 분석하기 위하여 FT-IR분석을 실시하였다. Mattson FT-IR Galaxy 7020A spectrophotometer를 이용하였고, FT-IR 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3의 (a)는 실시예 4의(3Zr,S-TiO2)의 110℃에서 건조한 후의 FT-IR 스펙트럼이고 (b)는 실시예 4의(3Zr,S-TiO2)의 450℃에서 소성한 후의 FT-IR 스펙트럼이다. 두 스펙트럼에서 보면 공통적으로 보이는 1000cm- 1이하에서 나오는 넓은 밴드는 TiO2 crystal lattice vibration 이며 또한 1621-1623cm-1 과 3500-3000cm-1에서 나타나는 밴드는 hydroxyl group에 의한 stretching vibration이다. 특히 도 3의 (a)에서 나타나는 1407cm-1 는 thiourea의 분해에 의해서 형성된 암모니아 이온이 촉매표면에 남아서 나타나는 deformation 밴드이다. 하지만 도 3의 (b)에서는 이러한 밴드가 관찰이 되지 않았는데, 그 이유는 높은 소성온도 때문이다. 그러나 도 4a와 4b를 보면 1557cm-1에서 약한 밴드가 관찰이 되는데, 이것은 C-N-H deformation 모드로 설명이 되어 진다. 이런 밴드의 관찰은 아마도 티오우레아의 분해반응이 완벽하게 완료되지 않고, 약간의 티오우레아가 이산화 티타늄 격자 안에 존재한다는 것을 나타내 준다고 할 수 있다.
< 실험예 2 >
이산화티타늄 광촉매의 결정구조를 살펴보기 위하여 XRD(X-ray Diffraction)를 시행하였다. XRD 패턴은 Multi-Purpose X-ray Diffractometer (X'pert PRO MRD/X'pert PRO MPD, Cu Kα, λ = 1.54059 Å)을 이용하여 얻었으며, 스캔 속도는 0.03o 2θ S-1을 사용하였다. 450도에서 소성한 실시예의 XRD 패턴은 도 4에 나타내었다. S-TiO2와 xZr,S-TiO2의 (101) 결정면의 피크는 상대적으로 TiO2 보다 넓게 나타남을 알 수 있다. 이는 S 또는 Zr과 같은 dopant가 TiO2에 도입이 되면서, TiO2의 격자구조를 뒤틀어서 나타나는 현상이라 보인다. 보다 자세히 도핑에 의한 TiO2의 격자구조의 변화에 대해서 알아보기 위해서, (101) 그리고 (200) 결정면을 이용하여 촉매들의 격자 상수를 구해보았다. 이때 사용한 식은 다음과 같다.
Bragg’s equation: d(hkl) = λ/2sinθ
d -2 ( hkl ) = h2a-2 + k2b-2 + l2c-2
이때, d( hkl )는 ( hkl )의 결정면사이의 거리이며, λ는 X-ray 파장이고, θ는 결정면( hkl )의 회절각도이며, hkl는 결정 index이며, 그리고 a,b,c 는 격자상수이다. (아나타제 구조는 tetragonal 구조이므로, a = b ≠ c 이다)
그 결과는 표 1에 요약을 해 놓았다. 표 1에 자세히 나와 있듯이, 모든 TiO2 샘플들의 격자 상수값은 a- 그리고 b- 축 격자상수는 거의 변화가 없지만, Zr과 S이 도핑된 샘플의 경우는 c- 축 격자상수가 증가함을 보여준다. Dopant로 사용된 Zr4 + (0.72 Å) 과 S2 - (1.7Å)의 이온반경은 TiO2 구조안의 Ti4 + (0.61Å) 과 O2 -(1.22 Å)의 이온반경 보다 크다. TiO2 구조안에 Ti4 + 또는 O2 - 가 Zr4 +과 S2 -에 의해서 치환이 될 때, 아마도 큰 이온반경을 가지는 dopant가 c-축으로 배열하게 되어, 이로 인해서 상대적으로 TiO2 보다 도핑이 된 TiO2의 c-축 격자상수가 증가한다고 말 할 수 있다. 그러므로 Zr,S-TiO2는 높은 격자 에너지를 가지게 되어, 격자 안에 뒤틀림이 나타나게 될 것이다. 격자의 뒤틀림으로 인해서, 아마도 Zr,S-TiO2. 표면에 산소의 결손점과 같은 구조적 결함이 나타나게 될 것이다.
촉매의 평균 결정입자의 크기는 (101)결정면을 이용하여 Scherrer’s equation로 계산을 하여 얻을 수 있다. 그 결과는 또한 표 1에 나타내었다. 표 1에 의하면 평균 결정입자의 크기는 도핑된 TiO2가 순수 TiO2 (14.05 nm) 보다 적게 나옴을 알 수 있다.[S-TiO2: 11.33 nm 그리고 xZr,S-TiO2: 10.78~7.99 nm] xZr,S-TiO2 시리즈를 볼 때, Zr의 양이 증가함에 따라 평균 결정입자의 크기는 작아짐을 알 수 있는 데, 이것은 졸-겔 합성이 이루어지는 과정에서 Zr 또는 S이 Ti4 +을 치환함에 따라 결정의 성장을 막아서 생긴 현상이라 할 수 있다. 이 현상은 앞에서 언급한 격자상수 계산결과와 상응하는 결과라 할 수 있다.
| 촉매 | lattice parameters(Å) | crystallite size (nm) | |
| a=b | c | ||
| TiO2 (실시예 1) | 3.7872 | 9.3561 | 14.05 |
| 0.5Zr,S-TiO2 (실시예 2) | 3.7818 | 9.5478 | 10.78 |
| 1Zr,S-TiO2 (실시예 3) | 3.7834 | 9.5530 | 9.02 |
| 3Zr,S-TiO2 (실시예 4) | 3.7759 | 9.6507 | 8.83 |
| 5Zr,S-TiO2 (실시예 5) | 3.7820 | 9.4994 | 7.99 |
| S-TiO2 (실시예 6) | 3.7787 | 9.4063 | 11.33 |
< 실험예 3 >
아나타제형 결정구조를 확인하고자 Raman spectroscopy를 사용 하였다. Raman Spectra는 Laser Raman spectrophotometer(model: Ramalog 9I)를 이용하여 조사를 하였고 그 결과는 도 5에 나타내었다. 도 5는 450도에서 소성한 실시예의 라만 스펙트라를 보여준다. 전형적인 아나타제 TiO2 의 Raman-active 밴드는 6개로 알려져 있으며, 그 값은 각각 144, 197, 399, 515, 519, 그리고 639 cm- 1 이며 이것은 Eg, Eg, B1g, A1g, B1g, and Eg Symmetry를 나타낸다. 모든 스펙트라는 앞에서 언급한 아나타제 TiO2 의 Raman-active 밴드와 거의 일치함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 아나타제 이산화티타늄 광촉매를 얻었음을 확인 할 수 있다. 하지만 우리가 얻은 Raman-active 밴드는 5개로 이것은 아마도 A1g and B1g 밴드들이 서로 오버랩이 되어서 하나의 밴드로 보여 진 것으로 사료된다. 또한 도핑된 TiO2을 보면 순수한 TiO2 보다 라만 밴드의 위치가 약간 달라졌음을 발견할 수 있는데, 이것은 도핑에 의한 결정의 크기가 작아짐에 기인한다고 할 수 있다. 이러한 사실은 또한 앞에서 알아본 XRD 결과와 상응하는 결과라 할 수가 있다.
< 실험예 4 >
높은 온도에서의 아나타제 결정성의 안정성을 확인 하고자, 실시예 4를 고온에서 소성하여 XRD 패턴을 조사하였다. 그 결과는 도 6과 같다. 이때 사용한 소성온도는 600℃(도 6a) 와 800℃(도 6b)이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 800도에서 소성한 샘플에서도 루타일 구조는 발견이 되지 않았고, 단지 아나타제 결정구조만이 발견이 되었다. 그러나 비교예 1의 경우 600℃에서 소성시 50%의 루타일 구조가 발견되었다.
따라서, 본 발명의 졸-겔법에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매의 경우 고온에서 소성하여도 아나타제형 결정구조가 안정적으로 유지됨을 알 수 있다. 이로 인해 고온소성이 가능해짐으로 결정화도가 증가될 수 있고 결정화도가 증가되면 전자와 정공의 재결합 시간이 늦춰져 촉매활성이 증가될 것이다.
< 실험예 5 >
촉매의 표면적, 세공 크기 및 세공 부피등 촉매의 표면 특성을 분석하였다. 450℃에서 소성한 촉매들을 대상으로, 액체 질소온도(77K) 하에서 Quantachrome Instrument (NOVA 2000 series)를 이용하여 질소 흡착, 탈착 실험을 하여 질소 흡착-탈착 등온 곡선을 얻었다. 그 결과는 도 7과 같다. 촉매의 세공의 크기분포도는 BJH 탈착 등온곡선으로부터 유도되며, Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 방법으로 얻었다. 그 결과는 도 8에 타내었다. 표면적은 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법을 통해서 얻었다. 그 결과는 표 2에 나타내었다.
| catalysts | BET surface area (m2/g) | BJH pore volume (cm3/g)a | pore diameter (nm)b |
| TiO2 (실시예 1) | 63.37 | 0.120 | 3.796 |
| 0.5Zr,S-TiO2 (실시예 2) | 84.30 | 0.161 | 5.164 |
| 1Zr,S-TiO2 (실시예 3) | 100.4 | 0.181 | 5.171 |
| 3Zr,S-TiO2 (실시예 4) | 112.2 | 0.224 | 6.771 |
| 5Zr,S-TiO2 (실시예 5) | 120.4 | 0.245 | 6.798 |
| S-TiO2 (실시예 6) | 80.08 | 0.125 | 4.113 |
| TiO2 (비교예 1) | 47.50 | 0.09 | 2.847 |
aP/Po = 0.99 일때의 질소의 흡착량을 측정
bEBJH 방법과 등옥곡선의 탈착부분으로부터 예측
상기 표 2에 의하면, Zr의 양의 증가뿐 아니라 황의 존재여부에 따라 pore diameter가 증가함을 알 수 있다. 즉, Zr과 S이 도입됨으로 인해 TiO2의 메조다공성이 증가됨을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 졸-겔법으로 제조된 광촉매가 비교예에 비해 표면적 및 세공크기가 커서 표면특성이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 도 7에 의하면 실시예의 TiO2의 등온곡선을 보았을 때, 그 형태가 Type 4 등온곡선 형태로 나타남을 알 수 있는 데, 이러한 형태의 등온곡선을 가지는 물질은 주로 메조포어를 가지고 있는 물질이라 알려져 있다. 도 8에 의하면 촉매들의 평균 pore의 크기는 3.8~6.8 nm 인데 이는 mesopore이다. 따라서 본 발명의 제조 방법에 의하여 메조포어 크기를 갖는 촉매가 제조되는 것이다. 종합해보면, 본 발명의 2단계에 걸쳐 산과 염기를 투입하는 sol-gel법을 이용하여 제조된 TiO2 및 황과 지르코늄이 도핑된 TiO2는 표면적, pore 부피 그리고 pore 반경과 같은 표면특성이 종래의 졸-겔법으로 제조한 TiO2 보다 월등이 증가함을 알 수가 있다.
< 실험예 6 >
실시예 4(3Zr,S-TiO2)의 몰포로지를 분석하고자 Transmission Electron Microscope(TEM)으로 관찰하였다. 300 kV로 작동되는 High-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) (model: JEOL, JEM 3010)로 조사를 하였다. 도 9는 실시예 4의 TEM 이미지이다. 도 9의 (a)에 의하면 작은 입자들이 뭉쳐져, mesopore들이 형성 된다는 것을 확인할 수 있다. 입자들의 평균 크기는 대략 6~7 nm로 확인되었으며, 이 값은 XRD패턴으로부터 얻을 수 있는 값과 거의 유사하다는 것을 알 수 있다. 도 9의 (b)는 HR-TEM 이미지로, 격자사이의 간격이 3.5Å을 확인 할 수 있는 데, 이것은 전형적인 아나타제 TiO2 결정성을 나타내는 것이다.
< 실험예 7 >
UV-visible diffuse reflectance spectra (DRS)를 이용하여 가시광선영역에서도 촉매의 활성을 띄게 되는지 살펴 보았다. DRS는 BaSO4을 기준물질로 하여, UV-Vis spectrophotometer (Model Shimadzu UV-2450 diffuse reflectance mode)을 이용하여 분석하였다.
도 10은 450도에서 본 발명의 졸-겔법으로 제조된 실시예 1(TiO2), 실시예 7(3Zr-TiO2), and 실시예 4(3Zr,S-TiO2)의 DRS을 나타낸 것이다. 도 10에 의하면 황이 포함된 샘플의 경우만 촉매의 흡수파장이 가시광선 영역으로 확장이 된 것을 알 수 있다. 그러므로 S-TiO2 과 Zr,S-TiO2는 가시광선에서 촉매활성을 띌 것으로 예상이 된다.
TiO2, 3Zr-TiO2, 3Zr,S-TiO2 의 밴드갭 에너지는 차례로 3.18, 3.17, 3.02 eV이며, 하기와 같은 식을 통해서 얻을 수 있다.
Eg= 1239.8 / λ (λ는 촉매가 최대로 흡수할 때의 파장)
또한, 도 10에서 보면 소성온도 역시 밴드갭 에너지에 영향을 주는 인자라는 것을 알 수 있는 데, 3Zr,S-TiO2을 각각 450도와 600도에서 소성한 후의 DRS 결과를 보면, 600도 일 때의 밴드갭 에너지는 3.09 eV로 450도에서 얻은 밴드갭 에너지보다 증가했음을 알 수 있다. 하지만, TiO2 와 3Zr-TiO2의 밴드갭 에너지보단 적기 때문에 가시광선에서의 반응성은 어느 정도 나타날 것으로 예상이 된다.
< 실험예 8 >
450도로 소성된 3Zr,S-TiO2(실시예 4)안에 존재하는 S, Zr의 조성을 알아보고자 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 분석을 수행하였다. XPS는 나노결정의 표면에 존재하는 화학물질을 분석하는 장비로 VG Scientific ESCALAB 250 XPS spectrophotometer를 사용하였다.
도 11은 XPS survey spectrum을 나타낸다. 도 11에 의하면, 450도에서 소성된 3Zr,S-TiO2는 Ti, O, C, Zr을 가짐을 알 수 있는 데, S은 나타나지 않았다. 이는 아마도 합성과정 중 황이 TiO2 격자안에 분산이 잘 되어서, 나타나지 않은 것으로 예상이 된다. 황의 양이 XPS 분석범위안에 들지 못한 결과라 할 수 있다.
도 12는 3Zr,S-TiO2의 C1s와 Zr3d의 XPS 스펙트라를 나타낸 것이다. C1s 피크는 283-291 eV 범위에 나타났으며, Zr3d의 피크는 180-186 eV사이에서 나타났다. C1s의 XPS 스펙트라를 통해서 알 수 있는 것이 대부분의 C가 가지는 binding energy가 285 eV로 이것은 TiO2 matrix안에 C가 솔리드 솔루션 형태로 존재한다는 것이다. XPS에서 측정되는 탄소 원소는 남아있는 non-hydrolyzed alkoxy 그룹에서 나오거나, 전구체 용액에서 나온 경우 그리고 우연히 들어가게 되는 것으로 설명이 된다. 182.2 eV 근방에서 관찰되는 Zr3d의 binding energy는 Ti1-xZrxO2 솔리드 솔루션안의 Zr3d5/2를 나타낸다.
< 실험예 9 >
3Zr,S-TiO2의 XPS결과에서 보면 S가 나타나지 않았다. 이에 황의 존재 여부를 확인하고자 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS)라는 다른 분석장비를 가지고 확인을 하여 보았다. EDS분석은 EDS가 장착된 Field emission scanning electron microscope (FESEM, S-4200 HITACHI)을 통해서 하였다 도 13은 450도로 소성한 3Zr,S-TiO2 의 EDS 결과를 나타낸 것이다. EDS분석결과에서 보면 황이 존재함을 확인할 수가 있었으며, 이 때 황의 양은 0.13 wt%로 측정이 되었다.
< 실험예 10 >
광촉매 활성은 가시광선하에서 톨루엔의 광분해 반응을 통해서 조사하였다. 광촉매 활성 실험은 폐쇄된 순환식 반응기에서 이루어졌다. 도 14는 본 발명에서 사용한 광촉매 반응기에 대해서 도식화해 놓은 것이다. 우선 부피가 1L인 파이렉스 유리로 만들어진 튜브형태의 반응기 안에 촉매(300± 0.5 mg)를 빛이 도달하는 부분에 잘 도포를 하고, 이렇게 촉매가 장착이 된 반응기는 특수 처리된 튜브를 통해서 순환 펌프에 연결이 되어진다. 이때 펌프의 순환 속도는 320 cm3/min 이다. 이렇게 펌프와 연결된 촉매가 장착된 반응기는 UV 필터로 처리된 150W 할로겐 램프(OSRAM HALOLINE)가 장착된 30 cm x 42 cm x 27 cm 크기의 검은 유리 박스에 위치하게 된다. 이때 램프와 촉매와의 거리는 15 cm이다. 촉매활성 체크를 위한 톨루엔을 반응기에 넣기 위해서, 온도가 70도로 유지되는 유리로 만들어진 믹싱챔버를 광반응기에 연결하여, 이곳을 통해서 톨루엔을 주입하였다. 이렇게 광반응기와 믹싱챔버를 포함한 반응기의 총 부피는 약 1.3L이다. 각 반응에 사용되는 톨루엔의 양은 3.0 ㎕ (2.54 x 10-5 M, 530 ppmv)이다. 촉매실험을 시작하기 전에, 우선 촉매가 장착된 광반응기를 어둠속에 방치한 후, 펌프로 순환을 해준 상태에서 톨루엔을 주입하고, 약 2시간정도 촉매 표면에 톨루엔이 충분히 흡착과 탈착이 이루어져 평형이 이루어 질 때까지 순환을 시켜준다. 그 후에 빛을 조사하여 시간마다 줄어드는 톨루엔의 양을 확인하였다. 촉매활성 실험은 기본적으로 4시간을 기준으로 하여 수행하였다. 일정 시간마다 줄어든 톨루렌의 양을 측정하기 위해서, 가스 샘플링이 가능한 가스크로마토그래피(Shimadzu GC-17A, Shimadzu Corporation)을 이용하여 측정을 하였다. 톨루엔이 분해되는 속도는 pseudo-first-order kinetics를 따른다고 예측을 하여, 다음과 수식을 이용하여 반응 상수를 계산하였다.
ln(C o /C) = kt
C o : 초기 톨루엔의 농도
C : 는 일정시간이 지난 후의 톨루엔의 농도
t : 시간(분)
k : 반응상수
활성 실험 결과는 표 3에 나타내었으며, 빛을 조사한 시간과 톨루엔의 농도 C o /C 및 ln(C o /C)의 값의 관계는 도 15 및 16에 나타내었다. 모든 촉매들은 빛을 조사한 시간과 ln(C o /C)의 값의 관계가 거의 일직선의 형태로 나타나, pseudo-first-order reaction이라는 것을 알 수 있다.
도 15에 의하면 가시광선 하에서 도핑이 안된 비교예 1 및 실시예 1의 광촉매는 낮은 광촉매 활성을 띄는 것을 확인 할 수 있으며, 3Zr-TiO2 광촉매 활성은 상대적으로 앞에 두 촉매보다는 어느 정도 향상됨을 보여주지만, S-TiO2 보다는 낮음을 알 수 있다.
가시광선 하에서의 광촉매의 활성을 좌우하는 중요한 인자는 촉매의 빛의 흡수영역이다. 앞서 알아본 DRS 결과에서 보면, TiO2와 3Zr-TiO2 는 흡수파장이 자외선 영역임을 보여주기 때문에 이러한 촉매들은 가시광선에서 반응은 황이 포함된 촉매들보다 떨어질 것임을 알 수 있다. 이와는 대조적으로, 모든 Zr,S-TiO2 촉매는 단지 황만 도핑된 TiO2 보다 우수한 광촉매 활성을 보인다. 특히, 3Zr,S-TiO2 광촉매는 가장 우수한 촉매활성을 나타낸다.
가스-고체상의 불균일 광촉매 반응은 표면에서 일어나는 반응이므로, 향상된 표면 특성을 가지는 촉매가 우수한 촉매활성을 나타난다고 알려져 있다. Zr 도핑 때문에, 소성과정 중에 야기되는 결정의 성장을 막아주며, 그로 인해서 촉매 자체가 가지는 다공성을 어느 정도 유지 시켜주어서 촉매의 표면적이 증가되는 역할을 할 수 있다. 추가적으로, Zr,S-TiO2 촉매의 격자상수 계산결과로부터, 알 수 있는 사실이 촉매 자체에 도핑에 의한 격자의 뒤틀림 현상이 발견이 되었는데, 그로 인한 격자 안에 결손점이 형성 될 가능성이 있다. 그 결과로, 촉매 표면에 존재하는 산소가 떨어져 나와 빛을 조사할 때 형성되는 정공과 결합을 하게 된다. 이러한 매카니즘을 통해서, 표면에서 떨어져 나온 산소 (O2 -)는 정공에 의해서 O-로 변하게 되고, 연속으로 O로 변하게 된다. 이 때 형성된 분해된 O는 촉매 표면에 붙은 유기물질과 반응하여 유기 물질을 분해하는 능력을 가지고 있다. 이렇게 격자의 뒤틀림으로 인해 분해된 O에 의해서, 도핑이 없는 촉매보다 우수한 촉매활성을 가진다. Zr의 양이 증가함에 따라 촉매의 표면특성이 좋아지며, 입자의 크기도 작아지고 격자의 뒤틀림 또한 커져 촉매활성이 증가할 것으로 예상되나, Zr,S-TiO2의 광촉매 활성의 정도는 3Zr,S-TiO2 > 0.5Zr,S-TiO2 > 5Zr,S-TiO2 > 1Zr,S-TiO2 이다. 이러한 결과를 봤을 때, 최적 조건의 Zr의 양이 더 높은 광촉매 활성을 나타냄을 알 수 있다.
광촉매의 활성은 또한 소성온도에 따라 달라진다. 소성온도를 450도 또는 600도로 한 3Zr,S-TiO2을 이용하여 촉매활성을 확인하여 보았다. 그 결과는 도 17 및 18에 나타내었다. 도 17 및 18에 의하면, 높은 소성온도로 처리한 촉매는 상대적으로 가시광선에서의 촉매활성이 떨어짐을 알 수가 있다. 이러한 결과는 앞에 알아본 DRS의 결과와 상응하는 것이다. 하지만 600도에서 소성한 3Zr,S-TiO2 가 도핑을 하지 않은 TiO2보다는 더 좋은 활성을 가진다.
또한, 비교예 1과 실시예 1의 경우 600도에서 소성하면 실시예 1이 비교예 1보다 3배가량 촉매활성이 좋았다.
| catalysts | Toluene degradationa (%) | kb(min-1) |
| TiO 2 (450)-비교예 1 | 25.21 | 0.001615± 0.0001 |
| TiO2(450)-실시예 1 | 31.34 | 0.001566± 0.0002 |
| 3Zr-TiO2(450) | 46.28 | 0.002589± 0.0003 |
| S-TiO2(450) | 55.87 | 0.003409± 0.0003 |
| 0.5Zr,S-TiO2(450) | 73.91 | 0.005598± 0.0006 |
| 1Zr,S-TiO2(450) | 58.85 | 0.0037± 0.0003 |
| 3Zr,S-TiO2(450) | 76.76 | 0.006081± 0.0007 |
| 5Zr,S-TiO2(450) | 72.81 | 0.005427± 0.0004 |
| 3Zr,S-TiO2(600) | 55.25 | 0.00335± 0.0003 |
| TiO2(600)-비교예 1 | 2.586 | |
| TiO2(600)-실시예 1 | 7.835 |
a 4시간 반응 후에 확인.
b A반응 계수는 반응시간과 ln(C0/C)의 상관관계로 부터 얻을 수 있음.
이상과 같이 개량된 졸-겔법을 이용하여, 메조다공성 및 표면특성이 향상되어 촉매활성이 증가되고 고온 안정성도 향상된 TiO2 및 Zr,S-TiO2를 제조하였다. 또한 지르코늄과 황이 도핑된 광촉매의 경우 촉매의 흡수 파장이 가시광선쪽으로 확장되어 가시광선영역에서도 촉매 활성을 띈다. 또한, 표면적, 포어크기 및 포어부피등 표면 특성이 향상되고 높은 온도에서 소성이 가능하게 됨에 따라 결정화도를 증가시킬 수 있게 되어 촉매 활성이 증가하게 된다.
도 1은 가시광선 광촉매의 반응원리를 도식화한 그림이다.
도 2는 황과 지르코늄이 도핑된 이산화 티타늄 광촉매의 제조방법을 간략히 도식화 한 것이다.
도 3은 3Zr,S-TiO2의 FT-IR 스펙트럼으로 (a)는 110℃에서 건조한 후의 스펙트럼이고, (b)는 450℃에서 소성한 후의 스펙트럼이다.
도 4는 450도로 소성된 촉매들의 XRD 패턴으로 (a) TiO2, (b) S-TiO2, (c) 0.5Zr,S-TiO2, (d) 1Zr,S-TiO2, (e) 3Zr,S-TiO2, (f) 5Zr,S-TiO2 를 나타낸다.
도 5는 450도에서 소성한 TiO2, S-TiO2, 그리고 3Zr,S-TiO2 의 라만 스펙트럼을 나타낸다. (a) TiO2, (b) S-TiO2, (c) 3Zr,S-TiO2 를 나타낸다.
도 6은 다른 온도에서 소성한 3Zr,S-TiO2 의 XRD패턴을 나타낸다. (a)는 600도에서 (b)는 800도에서 소성한 결과이다.
도 7은 촉매들의 질소 흡착-탈착 등온 곡선을 나타낸다.
도 8은 촉매들의 세공크기 분포를 나타낸 것이다.
도 9는 3Zr,S-TiO2의 TEM 이미지이다.
도 10은 450도에서 TiO2, 3Zr-TiO2, 3Zr,S-TiO2의 DRS을 나타낸 것이다.
도 11은 450도에서 소성된 3Zr,S-TiO2의 XPS survey spectrum을 나타낸다.
도 12는 3Zr,S-TiO2의 C1s와 Zr3d의 XPS 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 13은 450도로 소성한 3Zr,S-TiO2 의 EDS 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 광촉매 반응기에 대해서 도식화해 놓은 것이다.
도 15는 빛을 조사한 시간과 톨루엔의 Co/C값과의 관계를 나타낸 것으로 촉매들의 가시광선에서의 활성을 나타낸다.
도 16은 빛을 조사한 시간과 톨루엔의 ln(C0/C) 값과의 관계를 나타낸다.
도 17은 소성 온도가 다른 3Zr,S-TiO2의 가시광선에서의 활성을 조사한 것이다.
도 18은 소성 온도가 다른 3Zr,S-TiO2의 가시광선에서의 반응속도를 나타낸 것이다.
Claims (16)
- (1) 티타늄 알콕사이드가 유기 용매에 용해된 용액에 산, 물 및 유기용매를 혼합한 용액 A를 한 방울씩 교반하면서 투입하여 전체 용액의 pH가0.5 내지 2.0이 되도록 하는 단계;(2) 상기 A용액의 투입 후, 교반하면서 12 내지 48시간동안 반응시켜 졸을 형성하는 단계;(3) 상기 졸 형성 후에 염기 수용액을 0.05 내지 0.5 ml/sec의 속도로pH가 6.0 내지 10.0 이 되도록 한 방울씩 교반하면서 투입하여 겔로 만드는 단계;(4) 상기 (3)단계에서 형성된 겔을 110℃에서 12시간동안 건조시키고 분쇄하여 파우더로 만드는 단계; 및(5) 상기 파우더를 350 내지 800℃에서 소성하는 단계를 포함하는 것을것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (3)단계 후에 (3)단계에서 형성된 겔을 2 내지 5시간 숙성(aging)시키고 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (1)단계에서 티타늄 알콕사이드와 물의 몰비가 1:10 내지 1:30이되도록 상기 A용액을 투입하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매 의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (1)단계의 티타늄 알콕사이드가 테트라에틸 올소티타네이트, 티타늄 테트라이소프로폭사이드 및 테트라부틸 올소티타네이트로 이루어진군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (1)단계의 산이 질산, 염산, 인산, 아세트산, 포름산, 탄산 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (1)단계의 유기용매가 탄소수 1 내지 6의 알코올인 것을 특징으로하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (3)단계의 염기가 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아 및 아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (1)단계가 금속원 및 비금속원을 포함하는 유기용액 B를 A와 동시에 한 방울씩 투입하는 단계를 더 포함하여 금속과 비금속이 도핑되도록 하는 것을 특징으로 하는 광촉매의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 금속원이 지르코늄원이고, 상기 비금속원이 황원인 것을 특징으로하는 광촉매의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 지르코늄원이 지르코늄 아세틸아세토네이트, 지르코늄 클로라이드 및 지르코닐 클로라이드 하이드레이트로 이루어진 군으로부터 선택된단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 황원이 티오우레아, 티오아세트아마이드 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매의 제조방법.
- 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매.
- 제12항에 있어서,상기 광촉매가 아나타제형 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매.
- 황과 지르코늄이 도핑된 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매.
- 제14항에 있어서,상기 지르코늄이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 0.5 내지 6중량부로도핑되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매.
- 제14항에 있어서,상기 황이 이산화티타늄 100중량부에 대하여 0.1 내지 1.5중량부로 도핑되는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 광촉매.
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