KR20190083303A - 스테인리스 스틸 나노튜브를 기반으로 하는 광 촉매를 이용하여 대기 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치 - Google Patents
스테인리스 스틸 나노튜브를 기반으로 하는 광 촉매를 이용하여 대기 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시 내용에서는 다공성 표면을 갖는 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체(또는 기재)에 형성된 복수 개의 나노포어 내에 금속 나노입자를 담지 또는 부착시킨 광 촉매의 존재 하에서 대기 중 유기 오염 물질을 제거하는 기술이 기재된다.
Description
본 개시 내용은 스테인리스 스틸 나노튜브(Stainless steel nanotube, SSNT)를 기반으로 하는 광 촉매를 이용하여 대기 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 다공성 표면을 갖는 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체(또는 기재)에 형성된 복수 개의 나노포어 내에 금속 나노입자를 부착 또는 담지시킨 광 촉매의 존재 하에서 대기 중 유기 오염 물질을 산화 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
인간 생활에 있어서 쾌적한 환경을 요구하는 환경권의 대두 및 이를 뒷받침하고자 하는 정책 또는 제도적 규제 강화로 인하여 환경 오염에 대한 효과적인 제어가 도시화 및 산업화 사회에서 중대한 문제로 등장하고 있다. 도시화 및 산업화로 인한 대규모 공업 지역의 형성 및 대도시의 형성은 각종 대기 오염 물질, 예를 들면 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 탄화수소류(예를 들면, 단환 또는 다환 방향족 탄화수소류), 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds; VOCs) 등의 대기 오염 물질의 증가를 초래하고 있다.
이러한 대기 오염의 원인 물질이면서 다양한 산업 및 서비스 시설에서 발생하는 VOC는 대기 중 이동성이 강하고 악취를 유발할 뿐 아니라 마취성이 강한 것으로 알려져 있고, 신경계에 독성 물질로 작용한다. 또한, 벤젠, 방향족 유기화합물 (poly aromatic hydrocarbons, PAHs) 등의 오염 물질은 발암성을 갖고 있다. 이외에도, VOC는 성층권의 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 가속시키는 요인으로 작용한다.
이처럼, VOC는 그 자체만으로도 유해할 뿐만 아니라, 대기 중에서 광화학 반응을 통하여 광화학 산화제를 생성하여 2차 오염을 일으키는 전구체로 작용함으로써 오존, 알데히드, PAN(p-oxyacethlnitrate) 등과 같은 유해 2차 대기오염 물질을 생성하기 때문에 VOCs의 제어는 대기 환경 보전에 있어서 중요한 연구 분야로 자리매김하고 있으며, 세계 각국에서는 VOC의 배출 저감을 위하여 강화된 정책적 수단을 부가하고 있다. 예를 들면, 미국 환경청(U.S. Environmental Protection Agency, EPA)은 유해 대기 오염물질로서 189개의 화합물을 지정하고 있는데, 이 중 97개가 VOC 계열이다. 이러한 대기 오염 물질은 저 농도로 존재하는 경우에도 실내에서 대부분의 시간을 생활하는 사람들에게 실내 환경에 대한 불만족 요소로 작용하며, 건강에도 직접적으로 유해한 영향을 미치게 된다. 또한, VOC를 비롯하여 각종 산업체, 하수, 농축산 폐수, 분뇨처리장 등에서 발생하는 악취 가스로 인하여 인접 지역의 민원 역시 증가하는 추세에 있다. 따라서, 대기 중 오염 물질을 제거하기 위한 다각적인 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재, VOC 등의 대기 중 오염물질의 제어 기술로서 열 소각, 흡착, 촉매 연소, 바이오 필터, 흡착, 흡수 등의 다양한 방식이 개발된 바 있다.
이와 관련하여, 열 소각 방식은 부하 변동이 크고 저농도이며 낮은 유량 조건 하에서는 비경제적이며 NOx 및 다이옥신(dioxin)과 같은 치명적인 유해 물질이 생성되는 문제점을 유발한다. 흡착 방식의 경우, 케톤, 알데히드, 에스테르 등이 포함될 경우에는 흡착제의 흡착능이 감소하며 흡착제의 폐기물의 생성을 증가시키게 된다.
촉매연소 방식은 배기가스 중에 함유된 가연성 물질을 촉매의 존재 하에서 연소시키는 방법으로서 화학적으로는 일반 연소와 같은 산화 반응인 바, 가연성 물질이 탄화수소인 경우 완전 연소시켜 무해 무취인 CO2 및 H2O로 전환시킨다. 촉매연소 방식은 VOC 등과 같은 대기 오염물질 제거에 우수한 특성을 나타내지만, 오염 성분의 종류 별로 다양한 문제점을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 탄화수소류의 제거 시 다른 종류의 VOC가 함유될 경우에는 처리 효율은 급격히 감소하는 경향이 있으며, 아민류에 대하여는 황에 대한 촉매의 내피독성이 낮고, N2에 대한 선택도가 낮아 NOx가 발생하는 문제점이 야기된다. 특히, 할로겐-함유 VOC의 경우에는 독성 물질인 PhClx가 생성되거나 휘발성의 CrClxOy 착화물이 생성되어 처리 효율이 낮고, 머캡탄류의 경우에는 다른 VOC에 대한 산화능이 상대적으로 낮다. 더욱이, 과다한 초기 투자비, 높은 운전비 및 촉매 가격 등으로 인하여 경제성을 확보하기 곤란하다.
전술한 종래 처리 방식의 문제점을 극복하기 위한 대표적인 방안으로서 UV/TiO2 광 촉매를 이용한 VOC 제거 방식이 각광받고 있다. UV/TiO2 광 촉매 시스템은 저농도 또는 중간 농도의 VOC를 저온 또는 상온에서 처리할 수 있을 뿐만 아니라 초기 투자비용 및 운전비용이 저렴한 장점을 갖는다. 현재 적용되고 있는 TiO2 촉매는 할로겐-함유 탄화수소류(TCE 등)의 분해에는 양호한 성능을 나타내지만, 톨루엔, 아민계 또는 황-함유 VOC에 대하여는 촉매의 활성이 감소하는 문제점을 갖고 있다. 이외에도, 광 촉매로서 WO3, SrTiO3, α-Fe2O, ZnO 등이 알려져 있으며, 또한 금속황화물 계통으로서 ZnS 등이 이용되고 있으나, 전술한 기술적 한계로 인하여 광범위하게 적용되기 곤란한 실정이다.
본 개시 내용에서는 종래의 대기 오염 물질 제거용 광 촉매에 비하여 경제적이면서 양호한 산화 제거능을 갖는 광 촉매를 이용하여 VOC를 비롯한 다양한 대기 오염물질에 대하여도 촉매 산화 방식(특히, 고도 산화 프로세스)으로서 효과적으로 제거할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면,
가스 내 오염 물질의 제거 방법으로서,
광 촉매를 제공하는 단계; 및
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매와 접촉시켜 상기 가스 내 오염 물질을 산화 제거하는 단계를 포함하며,
여기서, 상기 광 촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 방법이 제공된다.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면,
반응기;
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 반응기 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 포트;
상기 반응기 내에서 가스를 혼합하기 위한 팬 부재;
상기 반응기 내에서 상기 오염 물질이 함유된 가스와 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 광 촉매; 및
상기 광 촉매에 자외선을 조사하도록 반응기 내에 구비된 자외선 램프;
를 포함하며,
상기 광촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치가 제공된다.
본 개시 내용의 제3 면에 따르면,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체;
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 도핑된 전자전달 매개체; 및
상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는, 가스 내 오염 물질을 산화 제거용 광 촉매가 제공된다.
본 개시 내용의 제4 면에 따르면,
a) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 제공하는 단계;
b) 이와 별도로, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물을 제공하는 단계;
c) 상기 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물에 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 침적시킴으로써 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 전자전달 매개체를 도핑하는 단계;
d) 상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 금속 나노입자를 담지하는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 b)는 전자전달 매개체의 전구체를 200 내지 300℃의 온도에서 열 분해하여 전자전달 매개체로 전환시키는 단계를 포함하고,
상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인, 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거를 위한 광 촉매의 제조방법이 제공된다.
본 개시 내용의 구체예에 따른 가스 내 오염 물질의 제거 방법 및 장치는 TiO2와 같은 종래의 광 촉매가 아닌, 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 기반의 지지체 상에 금속 나노입자, 특히 환원된 금속 나노입자를 담지시킨 광 촉매의 존재 하에서 다양한 실내 및/또는 실외 대기 중 오염 물질을 보다 짧은 시간 내에 효과적으로 산화 제거할 수 있기 때문에 처리 용량을 증대시킬 수 있고, 특히 저비용으로 제작 가능한 촉매를 사용함에 따라 경제성을 획기적으로 제고할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 추가적으로 촉매 내에 전자전달 매개체를 더 포함시켜 대기 내 오염 물질의 제거능을 더욱 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 상술한 광 촉매는 자외선을 적용하고 있는 기존의 시설에 특별한 변경을 요하지 않으면서 광 촉매만을 대체하거나 추가함으로써 현장에서 즉시 적용할 수 있고, 사용 후에도 특별한 안정화 과정 없이도 반복 사용(또는 재사용)할 수 있으며, 또한 다른 오염 물질 제거 방식과 달리 고온의 열이나 2차 오염물질 처리를 위한 추가적인 공정을 요하지 않는다. 따라서, 향후 광범위한 상용화가 기대된다.
도 1은 광 촉매에 의한 가스 중 오염 물질의 산화 제거 반응을 메커니즘을 보여주는 도면이고(OX: 산화제, Red: 환원제);
도 2는 일 구체예에 따른 대기 중 오염 물질의 제거 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이고;
도 3은 실시예 1에서 양극 산화처리된 기재의 표면에 대한 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이고;
도 4a 및 도 4b 각각은 실시예 1에서 제조된 2종의 스테인리스 스틸 나노튜브-기반의 광촉매(광 촉매-1 및 광 촉매-2)에 대한 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX) 분석 결과를 나타내는 그래프이고;
도 5는 실시예 1에서 오염 물질로서 알데히드 혼합 가스를 함유하는 폴리에스테르 알루미늄 백(bag)의 외관을 보여주는 사진이고;
도 6은 실시예 1에서 벤젠 및 톨루엔을 각각을 오염 물질로 하여 이를 가스 상으로 가열하기 위한 장치의 외관을 보여주는 사진이고;
도 7a 및 도 7b는 각각 실시예 1에서 사용된 광 촉매 반응기의 외관 및 내부 구조를 보여주는 사진이고;
도 8a 내지 도 8d는 실시예 1에 따라 광 촉매(광 촉매-1)의 존재 여부에 따른 오염 물질의 분해 결과를 나타내는 그래프이고(도 8a: 벤젠, 도 8b: 스티렌, 도 8c: 알데히드 혼합 가스, 및 도 8d: 벤젠, 스티렌 및 알데히드 혼합 가스);
도 9는 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 존재 여부에 따른 오일 미스트의 제거 효율을 나타내는 그래프이고; 그리고
도 10은 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 재사용 가능성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 구체예에 따른 대기 중 오염 물질의 제거 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이고;
도 3은 실시예 1에서 양극 산화처리된 기재의 표면에 대한 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이고;
도 4a 및 도 4b 각각은 실시예 1에서 제조된 2종의 스테인리스 스틸 나노튜브-기반의 광촉매(광 촉매-1 및 광 촉매-2)에 대한 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX) 분석 결과를 나타내는 그래프이고;
도 5는 실시예 1에서 오염 물질로서 알데히드 혼합 가스를 함유하는 폴리에스테르 알루미늄 백(bag)의 외관을 보여주는 사진이고;
도 6은 실시예 1에서 벤젠 및 톨루엔을 각각을 오염 물질로 하여 이를 가스 상으로 가열하기 위한 장치의 외관을 보여주는 사진이고;
도 7a 및 도 7b는 각각 실시예 1에서 사용된 광 촉매 반응기의 외관 및 내부 구조를 보여주는 사진이고;
도 8a 내지 도 8d는 실시예 1에 따라 광 촉매(광 촉매-1)의 존재 여부에 따른 오염 물질의 분해 결과를 나타내는 그래프이고(도 8a: 벤젠, 도 8b: 스티렌, 도 8c: 알데히드 혼합 가스, 및 도 8d: 벤젠, 스티렌 및 알데히드 혼합 가스);
도 9는 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 존재 여부에 따른 오일 미스트의 제거 효율을 나타내는 그래프이고; 그리고
도 10은 실시예 2에 따라 금속 나노입자-스테인리스 스틸 나노튜브(metal nanoparticle-stainless steel nanotube) 기반의 광 촉매의 재사용 가능성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
"휘발성 유기 화합물(VOC)"는 전형적으로 상온 및 상압 조건 하에서 약 50 내지 260℃의 비점을 갖는 유기 화합물로 정의될 수 있다.
"광 촉매"는 광의 존재 하에서 반응을 촉진하되, 전체 반응에서는 소비되지 않는 불균일 촉매, 구체적으로 고상의 촉매를 의미할 수 있다. 전형적으로, 광 촉매는 (i) 광 활성을 갖고, (ii) 근-자외선(near-UV light)을 이용하며, (iii) 생물학적 및 화학적으로 비활성이고, (iv) 광-안정성을 나타내고, 그리고 (v) 비독성을 나타내는 특성을 가질 수 있다.
"기재(substrate)"는 그 위에 부착(고정) 또는 코팅(도포) 가능한 표면을 제공하는 구조 또는 구조물을 의미할 수 있으며, 1차원, 2차원 또는 3차원 형상을 가질 수 있다.
"고도산화 프로세스(advanced oxidation process; AOP)"는 비-선택적 산화를 촉진하는 프로세스로서, 화학적 및/또는 다른 형태의 에너지를 이용하여 인-시튜 전이 종(transitory species), 주로 히드록시 라디칼을 생성하는 물리화학적 프로세스를 기반으로 하는 것으로 이해될 수 있다. AOP는 일반적으로 2 단의 산화 단계를 수반하는 바, 먼저 상대적으로 강한 산화제(예를 들면, 히드록시 라디칼(OH·))를 형성하고, 이러한 산화제를 오염 물질과 반응시키는 바, 이때 히드록시 라디칼은 높은 산화능을 갖고 있다.
"양극산화(anodization)"은 금속 등의 기재를 전해액 중에 침지시킨 후, 이에 양극을 걸어주고 전류가 흐르도록 함으로써 양극에서 발생하는 산소에 의하여 기재 표면에 다공성 피막(코팅)을 형성하는 반응을 의미할 수 있다.
"나노포어"는 나노 스케일(예를 들면, 약 0.1 내지 1000 nm, 구체적으로 약 1 내지 500 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm)의 치수 또는 사이즈를 갖는 포어를 의미할 수 있다.
"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
A. 가스(대기) 중 오염 물질의 제거용 광 촉매의 제조
도 1은 광 촉매에 의한 가스 중 오염 물질의 산화 제거 반응을 메커니즘을 보여준다.
상기 도면을 참조하면, 광 촉매 산화 반응 중 가장 중요한 단계는 가전도대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이의 밴드 갭을 극복하기 위한 에너지가 필요한 정공-전자 쌍의 형성 단계이다. 광 에너지가 밴드 갭 에너지와 같거나, 이를 초과할 경우, 정공-전자 쌍이 촉매 내에서 형성되며, 전도대에서는 광 전자, 그리고 가전도대에서는 광 정공으로 각각 분해된다. 이와 동시에, 공기, 산소 및 오염 물질의 존재 하에서 광 산화 및 환원 반응이 일어나는 바, 상기 반응 과정에서 흡착된 대기 중 수분의 산화 또는 OH-로부터 유래하는 히드록시 라디칼의 반응성이 높다. 또한, 전자의 환원능으로 인하여 분자 산소가 수퍼옥사이드(O2-)로 환원되도록 유도한다. 이러한 고반응성 종인 히드록시기 및 수퍼옥사이드는 오염 물질(구체적으로 유기 및/또는 무기 오염 물질, 더 나아가 미생물 오염 물질)에 대한 강한 분해능을 제공하게 된다.
일 구체예에 따르면, 가스 중 오염물질, 특히 VOC를 제거하기 위한 광 촉매는 (i) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 지지체; 및 (ii) 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함할 수 있다.
- 스테인리스 스틸 나노튜브 기재(지지체)의 제조
예시적 구체예에 따르면, 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체는 전기화학적 프로세스인 양극산화법에 의하여 제조될 수 있다. 이 경우, 양극산화 시스템은 크게 전해질 용액, 스테인리스 스틸 기재로 이루어진 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 양극산화법은 다양한 타입의 금속 상에 나노튜브 및 나노다공성 구조를 형성하는데 적합한 기술로서 조절이 용이하고 대량 생산에 소요되는 비용이 낮은 장점을 갖는다.
이와 관련하여, 스테인리스 스틸 기재의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 플레이트(또는 시트), 육면체, 구형 등의 다양한 2차원 또는 3차원 형상을 가질 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 전해질 용액은 산을 포함하는 수용액 또는 에틸렌글리콜과 같은 유기용매일 수 있는 바, 산으로는 불화수소, 황산, 인산, 과염소산 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 보다 양호한 반응성을 제공하는 불화수소를 포함하는 수용액, 과염소산을 포함하는 에틸렌글리콜 유기용매 등을 사용할 수 있다.
예시적으로, 전해질 용액의 농도는, 예를 들면 약 3 내지 10 체적%, 구체적으로 약 4 내지 8 체적%, 보다 구체적으로 약 5 내지 6 체적% 범위일 수 있다. 전해질 용액 내 전해질 농도는 양극산화 반응 조건(예를 들면, 인가 전압)에 영향을 미치고, 스테인리스 스틸 기재의 표면에 형성되는 산화물 층의 성상에도 영향을 미칠 수 있는 만큼, 전술한 농도 범위 내에서 적절히 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 다만, 상기 범위는 예시적 의미로 이해되어야 한다.
한편, 양극산화 시스템에서 음극의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 스테인리스 스틸 기재보다 표준 환원 전위가 큰 재질을 사용할 수 있고, 보다 구체적으로는 스테인리스 스틸과는 적절한 표준 환원 전위차를 나타내고 입수가 용이하면서도 화학적으로 안정한 재질을 사용할 수 있다. 이러한 음극의 재질로서 예를 들면 백금, 구리, 탄소, 이의 조합 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 스테인리스 스틸 기재의 양극 및 음극을 전해질 용액 내에 침지시킨 후에, 전압을 인가하여 산화 반응에 의하여 스테인리스 스틸 기재의 표면이 산화되면서 복수의 나노포어를 형성하게 된다. 양극산화 조건은 스테인리스 스틸 기재의 표면에 형성된 나노포어의 3차원적 구조에 영향을 미치는 만큼, 원하는 다공성 특성에 따라 반응 조건을 적절히 설정할 필요가 있다. 예시적 구체예에 따르면, 다공성 형성을 위한 양극 산화 온도는, 예를 들면 약 0 내지 20℃, 구체적으로 약 2 내지 10℃, 보다 구체적으로 약 3 내지 7℃ 범위 내에서 선정될 수 있다. 또한, 인가 전압 및 전류 각각은, 예를 들면 약 30 내지 70 V(구체적으로 약 35 내지 60 V, 보다 구체적으로 약 40 내지 55 V), 그리고 약 2.0 내지 5.2 A(구체적으로 약 2.5 내지 4.5 A, 보다 구체적으로 약 3.0 내지 4.0 A) 범위 내에서 선정될 수 있다.
이외에도, 전해질 용액 내에서의 반응 시 교반 또는 비교반 조건 하에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 교반 조건(예를 들면, 약 100 내지 300 rpm, 구체적으로 약 150 내지 200 rpm) 하에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 양극산화에 의하여 다공성이 형성된 스테인리스 스틸 기재는 표면의 이물질 등을 제거할 목적으로, 선택적으로 통상의 후송 처리 단계, 예를 들면 세정 또는 세척 단계를 거칠 수 있다. 이러한 세정 또는 세척의 예는 탈지 처리를 들 수 있는데, 통상적인 세제뿐만 아니라, 증기 탈지, 용제 또는 알칼리 세정 등과 같은 다양한 처리 방식이 적용될 수 있다.
한편, 본 구체예에 있어서, 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT)의 표면에 형성된 나노포어의 형태학적 특징(morphology), 배열, 밀도, 비표면적, 포어 체적 등은 후술하는 가스 매질 내 오염 물질을 흡착하고, 이를 산화 제거하는데 영향을 미치는 요소이다.
상기의 점을 고려하여, 나노포어의 사이즈(평균 직경) 및 깊이 각각은, 특히 기상 매질의 처리에 적합한 사이즈, 예를 들면 약 10 내지 100 nm(구체적으로 약 15 내지 60 nm, 보다 구체적으로 약 20 내지 40 nm), 그리고 약 40 내지 200 nm(구체적으로 약 70 내지 150 nm, 보다 구체적으로 약 75 내지 100 nm)의 범위일 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 나노포어의 사이즈 및 깊이는 후술하는 금속 나노입자가 견고하면서 용이하게 부착할 수 있는 범위 내에서 선정하는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로, 나노포어의 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는, 예들 들면 약 0.05 내지 1 : 1, 구체적으로 약 0.2 내지 0.8 : 1, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 0.6 : 1 범위일 수 있다.
또한, 다공성 SSNT 기재 상에 형성된 나노포어의 밀도는, 예를 들면 약 100 내지 500개/㎛2, 구체적으로 약 150 내지 400개/㎛2, 보다 구체적으로 약 200 내지 300개/㎛2 범위일 수 있다.
이와 관련하여, 나노포어의 사이즈 및/또는 깊이가 지나치게 작거나 큰 경우에는 후술하는 금속 나노입자의 부착이 용이하지 않거나, 기계적 강도를 저하시킬 수 있다. 또한, 나노포어의 밀도가 지나치게 낮은 경우에는 대기 중 오염물질의 흡착/산화 제거 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 범위 내에서 적정 수준을 선정하는 것이 유리할 수 있다.
또한, 예시적 구체예에 따르면, 다공성 SSNT 기재의 비표면적(BET 비표면적) 및 포어 체적 각각은, 예를 들면 약 100 내지 400 ㎡/g(구체적으로 약 200 내지 350 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 250 내지 300 ㎡/g) 및 예를 들면 약 0.5 내지 2 ㏄/g(구체적으로 약 1 내지 1.8 ㏄/g, 보다 구체적으로 약 1.3 내지 1.5 ㏄/g) 범위일 수 있다. 다만, 상기 수치 범위는 앞서 언급한 나노포어의 사이즈, 밀도 등에 영향을 받는 만큼, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
스테인리스 스틸 나노튜브 지지체 상에 금속 나노입자의 부착(담지)
일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 복수의 나노포어를 갖는 다공성 SSNT 기반의 기재는 광 촉매의 지지체로 사용될 수 있으며, 상기 나노포어에 금속 나노입자를 부착(담지)하는 방식으로 광 촉매를 제조할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, SSNT 지지체의 나노포어 내에서 부착되는 금속 나노입자의 사이즈(평균 직경)는, 예를 들면 약 5 내지 60 nm, 구체적으로 약 10 내지 40 nm, 보다 구체적으로 약 20 내지 30 nm 범위일 수 있다. 또한, 금속 나노입자는, 예를 들면 구형, 계란형, 접시형, 막대형 등의 형상을 가질 수 있으나, 부착 용이성(또는 견고성) 및 광 촉매의 활성을 최대한 확보하기 위하여는 구형이 바람직할 수 있다.
일 구체예에 따르면, 금속 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착하기 위하여는 금속 나노입자의 사이즈가 상기 나노포어의 사이즈보다 작도록 선정될 필요가 있다. 예시적으로, 나노포어의 사이즈 : 금속 나노입자의 사이즈의 비는, 예를 들면 약 1 내지 10 : 1, 구체적으로 약 1.5 내지 5 : 1, 보다 구체적으로 약 1.5 내지 2 : 1 범위일 수 있다. 금속 나노입자의 상대적 사이즈가 지나치게 작은 경우에는 SSNT 기재 내 나노포어에 대한 부착능이 저하될 수 있는 반면, 지나치게 큰 경우에는 담지에 따른 광 촉매 효과의 개선 정도가 감소될 수 있다. 따라서, 전술한 비율 범위에서 금속 나노입자의 사이즈를 조절하는 것으로 유리할 수 있을 것이다.
예시적 구체예에 따르면, SSNT 지지체에 담지 또는 부착되는 금속 나노입자의 량은, 예를 들면 약 1 내지 1000 ㎍/㎠, 구체적으로 약 10 내지 100 ㎍/㎠, 보다 구체적으로 약 20 내지 50 ㎍/㎠ 범위일 수 있다.
본 구체예에 있어서, SSNT 지지체의 나노포어 내에 부착되는 금속 나노입자는 자외선 광 조사 에너지에 의한 정공-전자 쌍의 형성 후 광 전자가 전도대로 여기되는 과정에서 밴드 갭을 낮추는 기능을 수행하게 된다. 이처럼, 적은 량의 자외선 조사 하에서도 광 촉매의 작동이 이루어지고, 그 결과 히드록시 라디칼 및 수퍼옥사이드 라디칼과 같이 고도산화 프로세스에서 가스 중 오염 물질의 산화 제거를 위한 산화제의 생성 속도를 증가시켜 오염 물질의 분해 효과를 높일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 금속 나노입자는 전자 이동성이 용이한 특성을 갖는 종류에서 선택 가능한 바, 예시적으로 은(Ag), 및 티타늄(Ti) 및 이의 조합(합금)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 보다 구체적으로는, 티타늄일 수 있다.
이때, 주목할 점은 SSNT 지지체의 나노포어에 부착(담지)되는 금속 나노입자는 산화 상태가 아닌 환원 상태라는 점이다. 이를 위하여, 당업계에서 알려진 환원법, 예를 들면 화학적 환원법. 광화학적 환원법(Radiation-Assisted Reduction) 등을 통하여 나노포어 내에 환원 상태(원소 형태)의 금속 나노입자를 부착할 수 있다.
- 화학적 환원법
화학적 환원법은 금속의 염(전구체)을 함유하는 산화 상태의 금속을 환원제에 의하여 환원시켜 입자 형태로 성장시키는 방식이다. 예시적 구체예에 따르면, 금속 염(수용성 금속 염)을 첨가한 전구체 수용액에 SSNT 기재를 침지시킨 후, 환원제를 첨가하여 환원(원소) 상태의 금속 나노입자로 SSNT의 포어(나노포어) 내에 부착(담지)시킬 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 금속 나노입자의 전구체로서, 상기 금속의 수용성 음이온염을 사용할 수 있다. 예시적으로, 금속이 은(Ag)인 경우, 초산 은(AgC2H3O2), 질산 은(AgNO3), 황산 은(AgSO4), 인산 은(Ag3PO4), 요오드화 은( AgI), 염화 은(AgCl), 불화 은(AgF), 브롬화 은(AgBr) 등과 같이 당업계에 공지된 은(Ag) 전구체를 사용할 수 있고, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 금속이 티타늄인 경우에는, 삼염화티탄(TiCl3), 사염화티탄(TiCl4), 티타늄 이소프로폭사이드(C12H28O4Ti), 티타늄 부톡사이드(C16H36O4Ti) 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 수용액 내 금속염의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 1 M, 구체적으로 약 0.05 내지 0.5 M, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.2 M 범위일 수 있는 바, 금속 염의 농도는 생성되는 나노입자의 균일성, 치수 등에 영향을 미치는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 환원제는 수산화나트륨(NaOH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수산화암모늄(NH4OH) 등으로부터 적어도 하나가 선택되는 강염기성 환원제일 수 있다. 이때, 수용액 에 첨가되는 환원제의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 1 M, 구체적으로 약 0.05 내지 0.5 M, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.2 M 범위일 수 있다.
일 예로서, 은 전구체로서 질산 은을 사용하고, 환원제로서 수소화붕소나트륨을 사용할 경우, 환원 상태의 은 입자의 형성 반응 메커니즘은 하기 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
AgNO3 + NaBH4 → Ag + ½H2 + ½B2H6 +NaNO3
예시적 구체예에 따르면, 환원 반응 온도는, 예를 들면 약 20 내지 60℃, 구체적으로 약 25 내지 40℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 35℃ 범위일 수 있고, 환원 반응 시간은, 예를 들면 약 0.1 내지 12 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 6 시간, 보다 구체적으로 약 1 내지 2 시간 범위일 수 있다.
- 광화학 환원법
택일적 구체예에 따르면, 금속 나노입자는 광화학 환원법에 의하여 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)될 수 있다.
이와 같이 광화학 환원법에 의한 금속 나노입자의 형성 방법의 예는 암 상태 및 진공 조건 하에서 금속 전구체(구체적으로 수용성 금속 염)를 첨가한 수용액에 SSNT 기재를 침지시킨 후에 자외선(UV) 조사(구체적으로 UV-C 조사)를 수반할 수 있다. UV-C는 약 200 내지 280 nm의 파장 범위를 갖는 광을 의미할 수 있다. 이때, 광 조사에 앞서, 선택적으로 물(구체적으로 증류수) 및/또는 질소 가스로 세척하는 단계를 수행할 수 있다.
광화학 환원법에 있어서, 금속 전구체(구체적으로 수용성 금속 염)의 종류, 수용액 내 금속 전구체 및 산 성분의 농도 등은 앞서 설명한 화학적 환원법에서와 유사하다. 광화학 환원 중 수용액 내에 SSNT 기재를 나노포어 내에 적정 량의 금속 나노입자가 형성될 수 있는 시간 동안 침지시킬 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 12 시간, 구체적으로 약 3 내지 6 시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 6 시간 범위 내에서 조절할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 자외선(구체적으로 UV-C 광)의 조사 시간은, 금속 이온의 환원 효율, 경제성 등을 고려하여 적정 범위 내에서 조절할 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 24 시간, 구체적으로 약 6 내지 18 시간, 보다 구체적으로 약 10 내지 12 시간 범위일 수 있다.
본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, SSNT 기재 또는 지지체의 나노포어 내에 담지 또는 부착된 금속 나노입자 사이에 전자 이동을 원활히 하기 위하여 SSNT 기재의 표면(예를 들면, SSNT 기재 표면에 형성된 복수 개의 나노포어 내부)에 먼저 전자전달 매개체를 도핑하고, 후속적으로 전술한 바와 같이 금속 나노금속을 고정 또는 담지시킴으로써 대기 내 오염 물질의 제거능을 향상시킬 수 있다.
일 예로서, 전자전달 매개체는 탄소를 기반으로 형성된 유기물일 수 있는 바, 예를 들면 그래핀(Graphene), 그래핀 산화물 또는 이의 조합일 수 있다. 이와 관련하여, "그래핀"은 탄소 원자들의 sp2 결합으로 이루어진 벌집모양의 2차원 평면 구조 탄소 동소체로서, 축구공모양의 풀러렌(Fullerene, C60)과 원기둥 모양의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다층구조의 흑연(Graphite)과 함께 나노구조의 탄소 동소체의 하나에 해당될 수 있다. 또한, "그래핀 산화물"은 산소-함유 화학적 그룹(예를 들면, 에폭시 또는 히드록시기)으로 관능화된 그래핀, 구체적으로 단일층 그래파이트 산화물(C-O 공유 결합을 도입함으로써 그래핀으로부터 유도된 2차원 물질)을 의미할 수 있고, 그래핀의 엣지(edge) 부위에는 카르보닐기 및 카르복시기가 위치하여 극성 표면 특성을 나타낼 수 있다. 그래핀 산화물은 그래핀계 격자 및 다양한 산소-함유 그룹의 존재로 인하여 그래핀 산화물 표면의 작용기는 다양한 활성종을 고정하기 위한 앵커 사이트로 작용할 수 있고, 조절 가능한 전자적 특성을 갖게 된다.
예시적 구체예에 따르면, SSNT-기반의 광 촉매 내에 추가적으로 도입 가능한 전자전달 매개체로서, 저분자의 유기산 물질을 열 분해시켜 고분자화하여 합성된 그래핀을 적용할 수 있다. 이와 같이, 추가적으로 도핑되는 전자전달 매개체는 앞서 제조된 광 촉매의 전자 이동성을 효과적으로 증진시킴으로써 특히 VOC 등에 대한 산화 제거능을 촉진하는 기능을 제공할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전자전달 매개체는 금속 나노입자를 형성하기에 앞서 SSNT 기재 상에 도핑될 수 있는 바, 예를 들면 전자전달 매개체의 전구체, 구체적으로 그래핀 및/또는 그래핀 산화물의 전구체를 이용하여 SSNT 기재(또는 이의 표면)에 도핑시킬 수 있다.
일 예로서, 전자전달 매개체의 전구체는, 예를 들면 탄소-함유 화합물, 구체적으로 유기산일 수 있는 바, 보다 구체적으로는 시트르산, 락트산 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이와 같이, 유기산을 전구체로 사용하는 이유는 저탄소분자 구조로부터 버텀-업(bottom-up) 방식으로 그래핀 구조를 합성할 수 있기 때문이다.
예시적 구체예에 따르면, 전자전달 매개체를 제조하기 위하여 고상의 전구체를 사용할 수 있는 바, 이를 열 분해시켜 액상화시킬 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 열 분해 온도는, 예를 들면 약 200 내지 300℃, 구체적으로 약 220 내지 280℃, 보다 구체적으로 약 230 내지 250℃ 범위일 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 열 분해 반응 시간은, 예를 들면 약 0.4 내지 1 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 0.8 시간, 보다 구체적으로 약 0.6 내지 0.7 시간 범위일 수 있다. 이러한 열 분해 반응 온도 및 시간은 예시적 목적으로 기재된 것으로, 사용되는 전구체의 종류, 도포 량 등에 따라 변화 가능하다.
상술한 바와 같이, 수득된 열 분해 생성물은 수계 용액(또는 수계 분산물) 형태로 제조될 수 있는 바, 특정 구체예에 따르면, 전구체로서 유기산을 사용할 경우, 열 분해 생성물의 수계 용액(또는 수계 분산물)은 산성을 나타낼 수 있다. 이때, 열 분해 생성물의 수계 용액(또는 수계 분산물)의 안정성 등을 확보할 목적으로 열 분해 생성물을 염기 수용액(예를 들면, 수산화나트륨, 수소화붕소나트륨, 수산화암모늄 또는 이의 조합을 함유하는 수용액, 구체적으로 수산화나트륨 수용액)에 첨가할 수 있다. 이와 관련하여, 염기 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 0.5 M, 구체적으로 약 0.02 내지 0.4 M 범위일 수 있다. 이때, 염기 수용액의 농도는, 예시적인 것으로 열 분해 생성물의 첨가량에 따라 적절히 조절할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 수계 용액(또는 수계 분산물) 내 전자전달 매개체(즉, 열 분해 생성물)의 농도는, 전구체 기준으로, 예를 들면 약 0.1 내지 3 M, 구체적으로 약 0.5 내지 2 M, 보다 구체적으로 약 1 내지 1.5 M 범위일 수 있는 바, 이러한 전자전달 매개체의 농도는 도핑되는 전자전달 매개체 입자의 균일성, 치수 등을 고려하여 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 열 분해에 의하여 형성된 전자전달 매개체는 산화물 형태로 존재할 수 있기 때문에, 이의 환원을 위하여 선택적으로 염기를 이용하여 후속 처리를 수행할 수 있다. 예시적으로, 염기는, 예를 들면 수산화나트륨(NaOH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수산화암모늄(NH4OH) 등일 수 있고, 이를 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 특히, 수산화나트륨을 사용할 수 있다. 이러한 환원 처리를 위하여, 염기 수용액을 열 분해 생성물(즉, 전자전달 매개체)을 함유하는 수용액에 첨가할 수 있는 바, 이때 첨가되는 염기 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 2 M, 구체적으로 약 0.15 내지 1 M, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.4 M 범위 내에서 조절 가능하다.
이와 같이 염기 처리에 의하여 전자전달 매개체를 함유하는 수용액의 pH를, 예를 들면 약 6.5 내지 8, 구체적으로 약 7로 조절할 수 있다.
그 다음, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액(또는 수계 분산물) 내에서 SSNT 기재 또는 지지체를 접촉(침적)시키는 방식으로, 전자전달 매개체를 SSNT 기재 상에 도핑(부착)할 수 있다. 예시적으로, 도핑용 수계 용액 내 전자전달 매개체의 농도는, 예를 들면 약 0.005 내지 0.1 중량%, 구체적으로 약 0.007 내지 0.08 중량%, 보다 구체적으로 약 0.009 내지 0.03 중량% 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 접촉 또는 침적 시간은, 예를 들면 약 0.2 내지 2 시간, 구체적으로 약 0.5 내지 1.5 시간, 보다 구체적으로 약 0.8 내지 1.2 시간 범위일 수 있다. 이후, 통상의 후처리 단계, 예를 들면 건조 단계 등이 수행될 수 있다. 또한, 접촉 또는 침적 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 15 내지 30℃, 구체적으로 약 20 내지 25℃, 보다 구체적으로는 상온일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, SSNT 기재 또는 지지체에 도핑되는 전자전달 매개체는, 예를 들면 입자 형태일 수 있는 바, 이 경우 입자 사이즈는, 예를 들면 약 0.5 내지 2 nm, 구체적으로 약 1 내지 1.5 nm, 보다 구체적으로 약 1.2 내지 1.3 nm 범위일 수 있으며, 이외에도 청색 루미네센스(blue luminescence)를 나타낼 수 있다.
전자전달 매개체로 도핑된 SSNT 기재는 앞서 기술한 바와 동일한 절차에 따라 금속 나노입자를 부착할 수 있다. 이와 관련하여, 광 촉매 내에서 추가적으로 도입된 전자전달 매개체의 량은, 후속적으로 부착 또는 담지되는 금속 나노입자 : 전자전달 매개체의 중량 비가, 예를 들면 약 10 내지 150 : 1, 구체적으로 약 50 내지 100 : 1, 보다 구체적으로 약 70 내지 80 : 1이 되도록 하는 범위 내에서 선정될 수 있다.
본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이러한 선택적으로 도입되는 전자전달 매개체는 도핑을 통하여 금속 나노입자와 SSNT 지지체 간의 전자이동 특성을 향상시킴과 동시에 밴드 갭을 변화시키는 방식으로 광 촉매 활성을 개선할 수 있는 것으로 판단된다.
B. 광 촉매를 이용한 대기 오염 물질의 제거
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 제조된 SSNT-기반의 광 촉매를 이용하여 가스(구체적으로 실내 또는 실외 대기) 내에 함유된 오염 물질을 제거하는 방법 및 관련 장치가 제공된다. 이때, 오염 물질은 대기 또는 실내외 분위기(가스 상 매질) 내에 함유 가능한 종류인 한, 특별히 한정되는 것은 아니다.
예시적 구체예에 따르면, 오염 물질은 환원 황 화합물(reduced sulfur compound), 알데히드계 화합물 및 VOC로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 종류를 포함할 수 있다. 이러한 오염 물질의 예시적인 종류는 하기 표 1과 같다.
| 오염 물질 | 종류 |
| 환원 황 화합물류 | 황화수소 |
| 메틸 머캅탄 | |
| 디메틸 설파이드 | |
| 디메틸 디설파이드 | |
| 알데히드류 | 아세트알데히드 |
| 프로피온알데히드 | |
| 부틸알데히드 | |
| 이소발렐알데히드 | |
| VOCs | 톨루엔 |
| 스티렌 | |
| 벤젠 | |
| 알코올 | |
| 케톤 |
예시된 오염 물질은 실내 또는 실외에서 다양한 소스, 예를 들면 건축물 내에 도포된 각종 화학 물질, 요리 과정에서 흄(fumes) 또는 입자 상 물질, 몰드 또는 박테리아 등으로부터 기인할 수 있다.
이와 관련하여, 오염 물질의 예로서 아세트알데히드가 광 촉매에 의하여 산화, 구체적으로 고도 산화 공정(AOP)을 통하여 제거되는 반응 메커니즘은 하기 반응식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 2]
한편, 처리 대상 가스 내 오염 물질의 농도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전형적으로 약 1 내지 200 ppm, 보다 전형적으로는 약 50 내지 100 ppm 수준일 수 있다.
또한, 고도산화 프로세스와 같은 산화 반응 시 수분은 오염 물질 제거에 필요한 히드록시 라디칼의 소스로 작용하는 바, 이때 처리 대상 가스의 습도(상대 습도)는, 예를 들면 적어도 약 15%, 구체적으로 약 15 내지 50%, 보다 구체적으로 약 20 내지 30% 범위일 수 있다.
도 2는 일 구체예에 따른 대기 중 오염 물질의 제거 장치의 개략적인 구성을 도시한다.
상기 도시된 예에 따른 대기(가스) 중 오염 물질의 제거 장치(100)는 크게 반응기(101), 상기 반응기 내부 공간에 배치된 자외선 램프(102), 상기 자외선 램프(102)와 소정 간격을 두고 이격되어 있는 적어도 하나(구체적으로 한 쌍)의 SSNT-기반의 광 촉매(103), 반응기 외부로부터 내부로 처리 대상 가스(또는 대기 가스)를 도입하기 위하여 반응기에 구비된 적어도 하나의 포트(104), 그리고 반응기 내 가스 성분을 혼합하기 위한 팬 부재(105)를 포함한다.
예시적 구체예에 따르면, 반응기(101)는, 실린더(원통) 형상, 육면체 형상, 구형 형상 등과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 다만, 구체적으로는 실린더 형상일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 처리 대상 가스 내에 함유된 오염 물질은 가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태일 수 있다. 예를 들면, VOC, 탄화수소류(특히, 톨루엔 등과 같은 방향족 탄화수소류, 불포화 결합을 갖는 탄화수소류 등), 알데히드 등이 가스 상으로 처리 대상 가스 내에 함유될 수 있다. 한편, 오일 미스트(oil mist)와 같은 오염 물질은 가스 내에서 오일 액적(예를 들면, 약 1 내지 10 ㎛, 구체적으로 약 2 내지 7 ㎛의 직경을 갖는 오일 액적) 형태로 함유될 수 있다.
상기 오염 물질-함유 가스(대기 가스)는 적어도 하나의 포트(104)를 통하여 반응기(101) 내로 도입될 수 있고, 도입된 가스는 반응기, 구체적으로 반응기 덮개에 부착된 팬 부재(105)의 구동 하에서 반응기 내부 공간에 균일하게 혼합(분포)되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 자외선 램프(102)로부터 방출되는 자외선의 조사 강도는, 예를 들면 약 0.1 mW/㎠ 내지 80 kW/㎠, 구체적으로 약 1 mW/㎠ 내지 10 kW/㎠, 보다 구체적으로 약 10 mW/㎠ 내지 1 kW/㎠ 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 자외선의 조사 강도는 광 촉매 효율에 영향을 주는 주된 요인 중 하나인 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있으나, 이는 가스 내 오염 물질의 종류, 농도 등에 따라 변화 가능한 만큼, 예시적 의미로 이해될 수 있다. 또한, 조사되는 자외선의 파장은, 예를 들면 약 100 내지 400 nm, 구체적으로 약 180 내지 320 nm, 보다 구체적으로 약 230 내지 280 nm 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 자외선 램프(102)는 무전극식 자외선 램프일 수 있는 바, 무전극식 자외선 램프는 진공관의 내부에 전극을 형성하지 않고 외부에서 고주파를 조사시킴으로써 자외선이 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 진공관 내부에 충전된 수은, 아르곤 등의 가스 상 분자가 여기되어 방전을 일으켜 자외선을 방사하는 방식일 수 있다. 구체적으로, 자외선 램프는 UV LED 타입일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉 온도는, 예를 들면 약 4 내지 40 ℃, 구체적으로 약 10 내지 35 ℃, 보다 구체적으로 약 15 내지 30 ℃ 범위일 수 있는 바, 촉매 반응 온도는 오염 물질의 종류에 따라 변경될 수 있기 때문에 전술한 범위는 예시적 목적으로 이해될 수 있다.
광 촉매(103)는 전술한 SSNT 기재 또는 지지체의 형상에 따라 다양한 형상, 예를 들면 플레이트, 메시, 튜브 등과 같은 형상의 구조물일 있는 바, 보다 구체적으로는 플레이트 형상으로 적용될 수 있으며, 반응기 내에서 적어도 하나가 배치될 수 있다.
도시된 구체예에 따르면, 반응기(101) 내에서 복수, 구체적으로 한 쌍의 플레이트 형상의 SSNT-기반 광 촉매가 배치되어 있다. 일 예로서, 실린더 형 반응기(101) 내부에서 플레이트 형상의 광 촉매(103)가 서로 대향하면서 수직 배치될 수 있다.
도시된 구체예에 따르면, 반응기(101) 내로 도입된 가스 중 오염 물질을 효과적으로 제거하기 위하여는 광 촉매(102)를 자외선 램프(102)로부터 균일한 이격 거리를 두고 배치하는 것이 유리할 수 있다. 도시된 예에서는 하나의 자외선 램프(102)가 배치되어 있으나, 경우에 따라서는 반응기 내에 복수의 자외선 램프를 설치할 수도 있다. 또한, 반응기(101) 내에서 자외선 램프(102)의 설치를 용이하게 하기 위하여 홀더(특히, 반응기의 바닥면을 기준으로 종 방향 또는 수직 방향으로 배치할 경우; 도시되지 않음)를 장착하거나, 반응기의 바닥 면에 홈 구조를 형성하여 착탈식으로 고정할 수도 있다(특히, 반응기의 바닥면 상에 횡 방향으로 접촉하면서 배치할 경우; 도시되지 않음).
도시된 바와 같이 복수 개(구체적으로 한 쌍)의 광 촉매 구조물이 배치되는 예에 있어서, 반응기 내부의 온도 변화가 적도록 자외선 램프를 반응기(101)의 상측 덮개에 배치할 경우에는 그만큼 자외선 램프와 광 촉매간 이격 거리의 증가로 인하여 촉매 효율이 감소할 수 있다.
상기의 점을 고려하여, 도시된 구체예에 따르면, 반응기(101)의 중앙 부위에 연장된 길이를 갖는 형상, 예를 들면 봉 또는 바 형상의 자외선 램프(102)를 배치하되, 이때 자외선 램프(102)는 반응기 바닥 면을 기준으로 종 방향(수직 방향)으로 배치될 수 있다. 이러한 자외선 램프(102)의 배치 방식을 통하여, 자외선 램프(102)와 한 쌍의 광 촉매(103) 간에 이격 거리는 균일하게 유지되어 복수의 촉매에서 균일한 광 촉매 효과를 유도함과 동시에 자외선 램프(102)와 광 촉매(103) 간의 이격 거리를 가급적 가깝게 유지함으로써 광 촉매 효율의 저하를 억제할 수 있다. 더욱이, 반응기 내 자외선 램프는 반응기 내에서 온도 변화를 유발하는 바, 이러한 온도 변화(구체적으로 온도 상승)가 처리 대상 가스 내 오염 물질의 농도 계산에 영향을 주기 때문에 광 촉매 반응 조건을 최적화하는데 장애 요인으로 작용할 수 있는 만큼, 전술한 방식으로 광 촉매를 배치하는 것이 유리할 수 있다.
도시된 구체예에 있어서, 전술한 바와 같이 반응기(101)에는 적어도 하나의 포트(104)가 구비되어 있다. 상기 포트(104)의 1차적인 기능은 오염 물질을 함유하는 처리 대상 가스를 반응기 내부로 도입하는 것인 바, 부가적으로 광 촉매에 의하여 오염 물질의 제거 전, 제거 과정 또는 제거 후, 가스 내 오염 물질의 제거 정도(구체적으로 농도)를 확인하기 위한 샘플 취출 포트로서 기능할 수도 있다. 다만, 경우에 따라서는 별도의 포트를 설치하여 샘플 취출 포트로 사용할 수도 있다.
다른 예시적 구체예에 따르면, 처리 대상 가스 중 오염 물질의 제거를 추가적으로 촉진하기 위하여 선택적으로 오존의 존재 하에서 광 촉매 반응을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 오존은 별도의 포트(도시되지 않음)를 통하여 도입될 수도 있으며, 택일적으로 처리 대상 가스와 함께 반응기(101) 내로 도입할 수 있다. 또한, 오존 주입을 위하여 반응기 외부에 오존 발생기(도시되지 않음)를 추가적으로 구비할 수도 있다.
이와 같이 오존을 도입함으로써, 처리 대상 가스 내에 오염 물질(예를 들면, 벤젠 등)이 비교적 높은 농도로 존재할 경우, 촉매를 비활성화시키는 현상을 억제할 수 있는 부가적인 효과를 제공할 수 있다. 이때, 광 화학 반응시 반응기 내 오존의 농도는, 예를 들면 약 1 내지 100 ppm, 구체적으로 약 10 내지 80 ppm, 보다 구체적으로 약 30 내지 50 ppm 범위일 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기재의 제조
스테인리스 스틸(포스코사) 기재에 대하여 양극 산화 프로세스를 통하여 표면에 다공성이 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기재를 제조하였다. 상기 SSNT 기재의 치수는 10 ㎝ × 4 ㎝이었고, 다공성 형성을 위한 양극 산화 프로세스는 하기 공정 조건에 의해서 수행하였다.
양극 산화용 반응기 내부를 5 ℃로 일정하게 유지하기 위하여, 항온기를 이용한 순환형 이중자켓 및 교반기가 구비된 반응기(4 L) 내에 전해질로서 과염소산 수용액(농도: 5 체적%)을 투입하고, 스테인리스 스틸 기재를 침지시켰다. 이후, 스테인리스 스틸 기재를 양극으로 하여 50 V의 전압을 인가하여 양극 산화 반응 과정에서 일정하게 유지하였다. 이때, 양극 산화 반응은 150 rpm의 교반 조건 하에서 20 분에 걸쳐 수행하였다. 또한, 음극으로서 백금을 사용하였다.
상기 양극 산화처리된 기재를 전계방출형 주사전자현미경 (FE-SEM)에 의하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 도면으로부터 스테인리스 스틸 기재의 표면에 다공성의 나노튜브 구조가 형성되었음을 확인하였다. 이때, 형성된 나노포어는 20 nm의 평균 직경, 그리고 78 nm의 평균 깊이를 갖고 있고, 나노포어의 밀도는 220개/㎛2 수준이었는 바, 특히 가스 상 오염물질에 적합한 포어사이즈를 갖고 있음을 확인할 수 있다.
SSNT 기재 상에 Ti 나노입자가 부착된 광 촉매(광 촉매-1)의 제조
금속 전구체로서 0.2 M의 티타늄 이소프로폭사이드를 첨가한 금속 전구체 수용액(0.5 L)을 제조하였다.
이후, 앞서 제조된 SSNT 기재를 상온에서 침지시킨 후에 상기 수용액에 0.2 M의 수산화암모늄(Sigma-Aldrich사)을 첨가하여 60분 동안 반응시켰다. 이와 같이 환원 처리된 SSNT 기재를 증류수와 에탄올로 세척한 후에 Ti 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)된 상태를 확인하기 위하여 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 상기 도면으로부터, SSNT 기재의 표면에 형성된 나노사이즈의 포어 내에 티타늄(Ti) 나노입자가 성공적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있다.
전자전달 매개체가 도핑된 SSNT 기재 상에 Ti 나노입자가 부착된 광 촉매(광 촉매-2)의 제조
시트르산 파우더(99%; Sigma-Aldrich사)를 220℃에서 40분 동안 열 분해하여 액상화한 후, 이를 0.25 M NaOH 수용액에 첨가하였으며, 후속적으로 pH 7에 도달할 때까지 1 N NaOH 수용액을 첨가하여 적정하였다.
이후, 전자전달 매개체를 0.01 중량%로 함유하도록 조절된 수계 용액(또는 수계 분산물) 내에서 앞서 제조된 SSNT 기재를 1시간 동안 상온에서 침적(침지)시킴으로써 전자전달 매개체를 도핑하였다.
이와 별도로, 금속 전구체로서 0.2 M의 티타늄 이소프로폭사이드를 첨가한 금속 전구체 수용액(0.5 L)을 제조하였다. 그 다음, 전자전달 매개체로 도핑된 SSNT 기재를 상온에서 침지시킨 후에 금속 전구체 수용액에 0.2 M의 수산화암모늄(Sigma-Aldrich사)을 첨가하여 60분 동안 반응시켰다. 이와 같이 환원 처리된 SSNT 기재를 증류수와 에탄올로 세척한 후에 Ti 나노입자가 SSNT 기재의 나노포어 내에 부착(담지)된 상태를 확인하기 위하여 에너지-분산 X-선 스펙트로스코피(EDX)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4b에 나타내었다. 상기 도면으로부터, SSNT 기재의 표면에 형성된 나노사이즈의 포어 내에 티타늄(Ti) 나노입자와 전자전달 매개체(C)가 성공적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있다.
가스 중 오염 물질에 대한 스테인리스 스틸 나노튜브(SSNT) 기반의 광 촉매의 성능 테스트
- 테스트용 물질 및 장치
(i) 벤젠(>99%) 및 스티렌(>99%) 각각은 Sigma-Aldrich사로부터 입수하였다.
(ii) 알데히드 가스 혼합물은 도 5에 도시한 폴리에스테르 알루미늄 백에 함유된 상태 그대로 사용하였다. 사용된 알데히드 가스 혼합물의 조성은 하기 표 2와 같다.
| 성분 | 농도(ppm) |
| 아세트알데히드 | 99.6 |
| 프로피온알데히드 | 20.1 |
| 부틸알데히드 | 18.6 |
| 발렐알데히드 | 15.1 |
| 이소발렐알데히드 | 19.6 |
또한, 도 6에 도시된 공기 차단 용기에 벤젠 및 스티렌 각각을 투입하고 60℃에서 2 시간 동안 가열하여 벤젠 및 스티렌 각각의 증기를 얻었다.
(iii) 반응기
본 실시예에서 사용된 반응기는 밀폐된 챔버형(실린더 형상) 반응기로서 도 7a 및 도 7b에 나타낸 구조를 갖고 있다. 상기 반응기는 단일 자외선 램프(출력: 4W, 파장: 254 nm), 2개의 플레이트형 촉매 구조물(촉매 구조물 사이즈: 10 cm x 4 cm, 전체 표면적: 80 ㎠), 가스 주입 및 소정 시간 후 샘플링용 단일 포트 및 혼합용 단일 팬을 포함하였다. 또한, 챔버의 높이, 챔버 직경, 및 반응기 체적은 각각 12 ㎝, 20 ㎝ 및 3770 ㎤(3.77 L)이었다.
- 샘플의 주입
반응기로 공기 밀봉 실(air tight seal)을 이용하여 밀폐시켰다. 벤젠 및 스티렌의 경우, 120 mL의 가스를 샘플 주입 포트를 통하여 반응기 내로 주입하였다. 벤젠 및 스티렌은 개별 혼합물로 제조되므로 반응기 내 초기 농도는 정확하게 결정될 수 없었다. 반면, 표준 알데히드 가스 혼합물의 농도는 알려져 있는 바, 반응기 내 초기 농도는 165 ppm이었다.
- 샘플 분석 절차
화염 이온화 검출기(flame ionization detector: FID)가 구비된 YL-6100 가스 크로마토그래피 시스템을 하용하여 반응기 내부의 오염 물질의 농도 변화를 분석하였다. 각각의 분석을 위하여, 샘플 1000 ㎕를 반응기로부터 취출하여 GC 주입 포트내로 주입하였다. 1 내지 5 시간의 규칙적 시간 간격을 두고 샘플을 취출하였다(T0, T1, T2, T3, T4, 및 T5). 또한, 3개의 가스 상 샘플 각각에 대하여 2가지 실험을 수행하였다(UV/SSNT-기반 촉매 시스템의 존재 및 부존재).
분석에 사용된 GC-FID 파라미터를 하기 표 3(알데히드류) 및 표 4(벤젠 및 스티렌)에 나타내었다.
| 구성 부재 | 세부 사항 |
| 검출기(detecter) | FID |
| 컬럼 | 모세관 알루미나 |
| 컬럼 길이 | 50 m |
| 컬럼 직경 | 0.53 mm |
| 인젝터 온도 | 200 ℃ |
| 컬럼 온도 | 45 ℃ |
| 검출기 온도 | 200 ℃ |
| 캐리어 가스 | 헬륨 |
| 구성 부재 | 세부 사항 |
| 검출기(detecter) | FID |
| 컬럼 | 모세관 알루미나 |
| 컬럼 길이 | 50 m |
| 컬럼 직경 | 0.53 mm |
| 인젝터 온도 | 220 ℃ |
| 컬럼 온도 | 80 ℃ |
| 검출기 온도 | 250 ℃ |
| 캐리어 가스 | 헬륨 |
- 테스트 결과
가스 중 오염 물질에 대한 광 촉매 활성 평가 결과를 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 광 촉매의 부존재 하에서 오염 물질의 농도는 유의미한 수준으로 감소되지 않았다. 그러나, SSNT-기반의 광 촉매/자외선 시스템을 적용할 경우, 벤젠, 스티렌 및 알데히드류 각각에 대한 분해율은 43%, 64% 및 49%이었다.
실시예 2
오일 미스트의 분해 성능 평가
실시예 1에서 제조된 SSNT-기반의 광 촉매(광 촉매-1)를 이용하여 대기 오염 물질로서 실내에서 요리 시 발생하는 오일 미스트에 대한 분해 테스트를 수행하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다. 이와 함께, 자외선만을 조사한 경우(광 촉매를 사용하지 않음), 광 촉매만을 사용한 경우(자외선을 조사하지 않음), 그리고 자외선 조사 및 광 촉매를 모두 적용하지 않은 경우에 따른 평가 결과를 비교 목적으로 나타내었다.
상기 도면을 참조하면, SSNT 기반의 광 촉매(광 촉매-1)에 자외선 조사 시 오일 미스트의 제거 효율이 가장 높음을 알 수 있다.
한편, 복수 회의 오일 미스트 제거 반응에 SSNT 기반의 광 촉매를 반복 적용하여 반복 사용 가능성을 평가하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 재사용 회수와 상관없이 광 촉매는 실질적으로 일정한 제거 효율을 나타내었는 바, 이는 사용 전·후의 광 촉매의 특성에 큰 차이가 나타나지 않아 반영구적인 사용이 가능하다는 점을 시사한다.
실시예 3
실시예 1에서 제조된 SSNT-기반의 광 촉매(광 촉매-2)에 대하여 대기 오염 물질로서 공기청정기협회에서 지정한 5종의 악취가스(포름알데히드, 암모니아, 아세트알데히드, 아세트산 및 톨루엔)에 대한 분해 테스트를 수행하였다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
상기 표를 참조하면, SSNT 기재에 전자전달 매개체 및 Ti를 도핑한 광 촉매를 이용한 시스템에 의하여 대기 오염 물질들이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
Claims (20)
- 가스 내 오염 물질의 제거 방법으로서,
광 촉매를 제공하는 단계; 및
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 자외선 조사 하에서 상기 광 촉매와 접촉시켜 상기 가스 내 오염 물질을 산화 제거하는 단계를 포함하며,
여기서, 상기 광 촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 광 촉매는 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 도핑되는 전자전달 매개체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 금속 나노입자 : 전자전달 매개체의 중량 비는 10 내지 150 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노포어의 사이즈 및 깊이 각각은 10 내지 100 nm 및 40 내지 200 nm 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 나노포어의 사이즈 : 나노포어의 깊이의 비는 0.05 내지 1 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체에 형성된 나노포어의 밀도는 100 내지 500개/㎛2 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 나노포어의 사이즈 : 금속 나노입자의 사이즈의 비는 1 내지 10 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 은(Ag), 티타늄(Ti) 및 이의 조합(합금)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질은 환원 황 화합물, 알데히드계 화합물 및 VOC로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자외선의 조사 강도는 약 0.1 mW/㎠ 내지 80 kW/㎠ 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉 온도는 4 내지 40 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스의 상대 습도는 적어도 15 %인 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염 물질이 함유된 가스와 광 촉매의 접촉은 오존의 존재 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 내 오염 물질의 제거 방법.
- 반응기;
가스 상, 입자 및 미세 액적 중 적어도 하나가 선택되는 형태의 오염 물질이 함유된 가스를 반응기 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 포트;
상기 반응기 내에서 가스를 혼합하기 위한 팬 부재;
상기 반응기 내에서 상기 오염 물질이 함유된 가스와 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 광 촉매; 및
상기 광 촉매에 자외선을 조사하도록 반응기 내에 구비된 자외선 램프;
를 포함하며,
상기 광촉매는,
표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체; 및
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치. - 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 촉매는 실린더 형의 반응기 내에 플레이트형 구조물 형태로 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 광 촉매이며, 그리고
상기 자외선 램프는 상기 반응기의 중앙 부위에 연장된 길이를 갖는 형상으로 반응기 바닥 면을 기준으로 종 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치. - 제16항에 있어서, 상기 장치는 오존을 반응기 내로 도입하기 위한 오존 유입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거 장치.
- 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체;
상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 도핑된 전자전달 매개체; 및
상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 담지된 금속 나노입자를 포함하는, 가스 내 오염 물질을 산화 제거용 광 촉매. - a) 표면에 복수 개의 나노포어가 형성된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 제공하는 단계;
b) 이와 별도로, 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물을 제공하는 단계;
c) 상기 전자전달 매개체를 함유하는 수계 용액 또는 수계 분산물에 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체를 침적시킴으로써 상기 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 표면에 전자전달 매개체를 도핑하는 단계;
d) 상기 전자전달 매개체가 도핑된 스테인리스 스틸 나노튜브 지지체의 나노포어에 금속 나노입자를 담지하는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 b)는 전자전달 매개체의 전구체를 200 내지 300℃의 온도에서 열 분해하여 전자전달 매개체로 전환시키는 단계를 포함하고,
상기 전자전달 매개체는 그래핀, 그래핀 산화물 또는 이의 조합인, 가스 내에 함유된 오염 물질의 제거를 위한 광 촉매의 제조방법. - 제19항에 있어서, 상기 전자전달 매개체의 전구체는 시트르산, 락트산 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 광 촉매의 제조방법.
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