KR100676458B1 - Method for synthesis of mesoporous TiO2 and transition metals-impregnated mesoporous TiO2 with visible light activity - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계면활성제를 이용하여 메조기공 TiO2를 합성하고 기공 내에 전이금속 백금(Pt)을 함침시켜 가시광선영역에서 고활성 고내구성을 가지는 광촉매를 제조하는 방법에 관한 것으로, 계면활성제의 소수성 부분의 길이를 조절하여 메조기공을 의도된 크기로 조절할 수 있고 합성조건에 따라 판형 및 육방형 형태와 같은 여러 종류의 메조기공 TiO2을 합성할 수 있으며, 특히 기공 내에 여러 가지 전이금속을 농도별로 함침시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method for synthesizing mesoporous TiO 2 using a surfactant and impregnating transition metal platinum (Pt) in the pores to produce a photocatalyst having a high activity and high durability in the visible region, the hydrophobic portion of the surfactant By adjusting the length of the mesopores can be adjusted to the intended size, it is possible to synthesize various types of mesopores TiO 2 such as plate and hexagonal shape depending on the synthesis conditions, in particular impregnated with various transition metals in the pores by concentration It can be characterized by.

본 발명에 따른 메조기공 TiO2 및 기공내의 전이금속 함침은 기공 내에만 전이금속을 함침시킴으로써 광촉매 TiO2의 표면을 그대로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 광촉매의 촉매활성을 지속시킬 수 있고, 더 나아가 전이금속에 의해서 가시광선영역에서 활성을 가지는 광촉매를 제조하고 이에 따른 광활성을 증대시킬 수 있는 효과가 있어, 실용화 단계에서의 단점이었던 촉매의 지속성 및 안전성 문제를 동시에 해결하고 고내구성 및 고활성을 가지는 가시광선활성 광촉매를 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.The mesoporous TiO 2 and the transition metal impregnation in the pores according to the present invention can not only maintain the surface of the photocatalyst TiO 2 by maintaining the surface of the photocatalyst TiO 2 by impregnating the transition metal in the pores, and further, the transition metal. By the photocatalyst having an active in the visible light region and has an effect that can increase the photoactivity accordingly, to solve the problem of the sustainability and safety of the catalyst, which was a disadvantage in the practical use step at the same time, visible light having high durability and high activity An active photocatalyst can be produced.

메조기공, TiO2, 전이금속 함침, 광촉매, 가시광선 활성, 황산, 계면활성제Mesopores, TiO2, transition metal impregnation, photocatalyst, visible light activity, sulfuric acid, surfactant

Description

메조기공 TiO2 및 기공 내에 전이금속이 함침된 가시광응답 메조기공 TiO2의 합성 방법{Method for synthesis of mesoporous TiO2 and transition metals-impregnated mesoporous TiO2 with visible light activity}Method for synthesis of mesoporous TiO2 and transition metals-impregnated mesoporous TiO2 with visible light activity}

도 1a는 본 발명의 판형 메조기공 TiO2에 대한 모식도를 나타낸다. Figure 1a shows a schematic diagram of the plate-shaped mesoporous TiO 2 of the present invention.

도 1b는 본 발명의 육방형 메조기공 TiO2에 대한 모식도를 나타낸다.Figure 1b shows a schematic diagram of the hexagonal mesoporous TiO 2 of the present invention.

도 2a는 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 판형 메조기공 TiO2에 대한 파우더 시편의 X-선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 곡선 그래프이다. Figure 2a is a curve graph showing the X-ray diffraction analysis (XRD) results of the powder specimens for the plate-shaped mesoporous TiO 2 obtained in the Example according to the present invention.

도 2b는 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 판형 메조기공 TiO2의 TEM 사진을 나타낸다. Figure 2b shows a TEM image of the plate-shaped mesoporous TiO 2 obtained in the embodiment according to the present invention.

도 3a는 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 육방형 메조기공 TiO2에 대한 파우더 시편의 X-선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 곡선 그래프이다. Figure 3a is a curve graph showing the X-ray diffraction analysis (XRD) results of the powder specimens for the hexagonal mesoporous TiO 2 obtained in the embodiment according to the present invention.

도 3b는 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 육방형 메조기공 TiO2의 TEM 사진을 나타낸다. Figure 3b shows a TEM picture of the hexagonal mesoporous TiO 2 obtained in the embodiment according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 메조기공 TiO2에 전이금속 Pt를 함침시킨 TEM 사진을 나타낸다.Figure 4 shows a TEM photograph impregnated with a transition metal Pt in the mesoporous TiO 2 obtained in the embodiment according to the present invention.

본 발명은 광촉매로 널리 사용되고 있는 TiO2의 다양한 형태의 메조기공 TiO2의 합성방법 및 기공 내에 전이금속을 함침시키는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로 계면활성제와 산성조건을 활용하여 판형 및 육방형 형태의 메조기공 TiO2를 합성하여 표면적을 증대시키는 방법과 기공 내에 전이금속(Pt)을 농도별로 함침시키는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알킬트리메틸암모늄브로마이드(Alkyltrimethylammoniumbromide) 또는 알킬트리에틸암모늄브로마이드(Alkyltriethylammoniumbromide)와 같은 계면활성제와 티타늄아이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide)와 같은 티타늄 전구체를 황산을 이용한 산성조건 하에서 졸-겔법을 이용하여 메조기공 TiO2 합성하는 방법 및 상기 합성된 메조기공 TiO2의 기공에 전이금속, 더 구체적으로 백금(Pt)의 전구체로 헥사크로로플라토닉산(H2PtCl6·6H2O)을 사용하여 함침법을 이용한 농도별 백금 나노입자를 함침시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for synthesizing various types of mesopores TiO 2 of TiO 2 widely used as a photocatalyst and a method for impregnating transition metals in pores. More specifically, the present invention relates to a method of increasing the surface area by synthesizing mesoporous TiO 2 in plate and hexagonal form by using a surfactant and acidic conditions, and a method of impregnating transition metal (Pt) by concentration in pores. Mesopores using a sol-gel method under an acidic condition using sulfuric acid, a surfactant such as alkyltrimethylammonium bromide or alkyltriethylammonium bromide, and a titanium precursor such as titanium isopropoxide A method of synthesizing TiO 2 and impregnation method using hexacroroplatonic acid (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) as a precursor of a transition metal, more specifically platinum (Pt), to the pores of the synthesized mesopores TiO 2 It relates to a method of impregnating platinum nanoparticles by concentration.

메조기공 형태의 발전은 1992년 Mobil사의 과학자들에 의해 MCM-41이라고 명명한 육방형으로 배열된 메조기공 실리카를 발표한 이래로 활발한 연구가 계속되어 MCM-48, KIT-1, MSU-1, MCM-41 또는 동일한 공간군이지만 기공 크기가 더욱 큰 영 역에 속하는 SBA-1 등 메조영역에서 균일한 기공 크기를 갖는 다양한 구조의 메조기공 실리카 분자체들이 합성되었다. The development of mesoporous forms has been active since 1992, when Mobil scientists announced the hexagonal array of mesoporous silica, named MCM-41, resulting in MCM-48, KIT-1, MSU-1, and MCM. Mesoporous silica molecular sieves of various structures with uniform pore sizes were synthesized in the meso region, such as -41 or the same spatial group but larger pore size.

메조기공 실리카 분자체는 주로 계면활성제의 집합체를 구조 유도체를 이용하여 제조되는데 여러 가지 메커니즘 중에서 미국 산타 바바라(Santa Barbara) 소재 켈리포니아 주립대학의 G. D. Stucky 교수 연구진이 제안한 합동 주형 메커니즘이 보편적으로 받아드려지고 있다. 즉, 본 메커니즘에서 계면활성제와 규산염으로 이루어진 복합체가 형성되고, 계면활성제가 이루는 마이셀 표면에 존재하는 규산염이 중합반응을 일으킴에 따라 형성되었던 복합체의 구조에 영향을 주어 상 변화가 일어날 수 있다. 따라서 계면활성제를 변화시키거나 반응 온도와 조성 등 반응조건을 다르게 함으로써 다양한 기공 구조와 크기를 갖는 메조기공 실리카 분자체의 합성이 가능하다. 이러한 메조기공 실리카 분자체는 흡착제와 촉매로서의 응용 가능성을 보여주었으며 나노 구조의 금속, 반도체 물질의 제조 등 여러 분야에 응용될 수 있다는 예가 보고되었다. Mesoporous silica molecular sieves are produced primarily from a collection of surfactants using structural derivatives. Among the various mechanisms, the joint mold mechanism proposed by Professor GD Stucky at the University of California, Santa Barbara, is commonly accepted. have. That is, in the present mechanism, a complex composed of a surfactant and a silicate is formed, and a phase change may occur by affecting the structure of the formed complex as the silicate present on the surface of the micelle formed by the surfactant causes a polymerization reaction. Therefore, it is possible to synthesize mesoporous silica molecular sieves having various pore structures and sizes by changing the surfactant or by changing the reaction conditions such as reaction temperature and composition. These mesoporous silica molecular sieves have shown application potential as adsorbents and catalysts, and examples have been reported that they can be applied to various fields such as the production of nanostructured metals and semiconductor materials.

이처럼 활용도가 좋은 메조기공 분자체들은 메조기공 실리카(SiO2)만으로 한정된 것이 아니라, 지금까지 발표된 메조기공이 합성 가능한 금속들은 Al, Ga, Sn, Sb, V, Fe, Mn, Zr, Hf, W 및 Nb 등이 발표되었다. 그러나 광촉매로 잘 알려진 TiO2의 경우에는 코팅형태를 제외하고는 구조가 정확하게 제어된 형태의 메조기공 TiO2이 합성되지 못하였다. TiO2를 메조기공 형태로 만들면 표면적이 아주 우수한 분자체로서 그 응용가능성이 높아 많은 사람들로부터 연구의 대상이었다. 그러나 지금까지 이렇다할 좋은 결과를 보여주지 못하고 있는 이유는 유독 티타늄 전구체(Ti(OR)4)가 물과 만났을 때 가수분해와 함께 산성조건에서 중합반응이 너무 빨리 일어나기 때문이다.These highly useful mesoporous molecular sieves are not limited to mesoporous silica (SiO 2 ) alone, and the metals that can be synthesized so far are available for Al, Ga, Sn, Sb, V, Fe, Mn, Zr, Hf, W and Nb have been published. However, in the case of TiO 2 which is well known as a photocatalyst, mesoporous TiO 2 of a precisely controlled structure except for the coating form was not synthesized. Making TiO 2 into mesoporous form, it has been studied by many people because of its high surface area and its applicability. However, until now, the reason why it has not been able to show such a good result is that when the toxic titanium precursor (Ti (OR) 4 ) meets with water, the polymerization reaction occurs too quickly under acidic conditions with hydrolysis.

한 예로 메조기공 실리카의 경우에는 물에 계면활성제를 용해시킨 후 산성조건 하에서 실리카 전구체(Si(OR)4)를 첨가하면 계면활성제와 규산염으로 이루어진 복합체가 형성되고 계면활성제가 이루는 마이셀 표면에 존재하는 규산염이 중합반응을 일으킴으로써 메조기공 형태의 분자체로 발전하게 되는 것이다. 그러나 티타늄 전구체(Ti(OR)4)가 물과 만났을 때 가수분해와 함께 산성조건에서 중합반응이 너무 빨리 일어나기 때문에 TiO2 나노 입자로 성장하고, 계면활성제와 분리되어서 메조기공 형태의 분자체를 만들 수 없게 된다. For example, in the case of mesoporous silica, when a surfactant is dissolved in water and a silica precursor (Si (OR) 4 ) is added under acidic conditions, a complex composed of a surfactant and a silicate is formed and present on the surface of the micelle formed by the surfactant. Silicates develop into polymerized sieves in the form of mesopores. However, when the titanium precursor (Ti (OR) 4 ) is in contact with water, the polymerization reaction takes place so rapidly under acidic conditions with hydrolysis, so it grows into TiO 2 nanoparticles and is separated from the surfactant to form a mesoporous molecular sieve. It becomes impossible.

이러한 티타늄 전구체의 빠른 중합반응으로 인한 문제점을 극복하기 위해서 중합반응 억제제를 첨가하여 합성한 경우도 있었으며, 코팅형태로 메조기공 TiO2를 합성한 경우가 있기는 하나, 입자형태에 정밀하게 제어된 메조기공 TiO2의 합성이 성공한 사례는 없었다. 더 나아가 입자형태에 정밀하게 제어된 메조기공 TiO2의 기공 내에 전이금속 백금(Pt)을 함침시킨 결과도 아직까지 발표된 적이 없는 분야이다.In order to overcome the problems caused by the rapid polymerization of titanium precursors, there were cases in which a polymerization inhibitor was added to synthesize the mesoporous TiO 2 in the form of a coating, but meso precisely controlled in the form of particles. There was no successful synthesis of pore TiO 2 . Furthermore, the results of impregnating transition metal platinum (Pt) in the pores of mesopores TiO 2 with precisely controlled particle morphology have not been published.

이에, 본 발명은 티타늄 전구체가 물과 반응시에 빠르게 진행되는 가수분해 와 중합반응을 산성조건 하에 억제하고 계면활성제와 상호 작용을 이루면서 판형 및 육방형 형태의 메조기공 TiO2를 합성하는 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention provides a method for synthesizing mesoporous TiO 2 in plate and hexagonal form while inhibiting hydrolysis and polymerization reactions rapidly progressing when the titanium precursor reacts with water under acidic conditions and interacting with a surfactant. I would like to.

또한, 본 발명은 티타늄 전구체가 물과 반응시에 빠르게 진행되는 가수분해와 중합반응을 산성조건 하에 억제하고 계면활성제와 상호 작용을 이루면서 판형 및 육방형 형태의 메조기공 TiO2를 합성하고, 기공 내에 전이금속을 함침시킨 물질의 제조하는 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention synthesizes mesopores TiO 2 in the form of a plate and hexagon, while inhibiting the hydrolysis and polymerization reaction that proceeds rapidly when the titanium precursor reacts with water under acidic conditions and interact with the surfactant, and in the pores It is intended to provide a method for preparing a material impregnated with a transition metal.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 티타늄 전구체를 물에 용해시켜 메조기공 형태의 규칙적이고 정밀하게 제어된 물질을 얻으려면 계면활성제와의 상호작용을 강하게 하는 매개체가 필요하다는 것에 기초하여 다양한 실험을 반복한 결과, 황산을 이용한 산성조건하에 티타늄 전구체가 가수분해와 중합반응에 이용되고 설포네이트기(SO4 2-)는 중합반응을 일으키고 있는 TiO2와 계면활성제 사이에서 상호작용을 일으켜서 TiO2가 계면활성제 주위에서 성장하게 되어 메조기공을 형성할 수 있다는 사실을 알게 되면서 본 발명에 이르게 된 것이다. In order to achieve the above object, the present inventors repeat various experiments based on the need for a medium to strengthen the interaction with the surfactant to dissolve the titanium precursor in water to obtain a regular and precisely controlled material in the form of mesopores. as a result, the titanium precursor under acidic conditions using sulfuric acid has been used in hydrolysis and polymerization sulfonate group (SO 4 2-) is a TiO 2 surface causes an interaction between TiO 2 and the surface active agent that causes a polymerization reaction The present invention has been realized while discovering that it can grow around the active agent to form mesopores.

본 발명은 비규칙적이며 특정 코팅 형태만을 제조할 수 있었던 메조기공 TiO2의 문제점들을 해결하고, 또한 기공 내에 전이금속을 농도별로 함침시킴으로써 메조기공 TiO2의 열적안정성 및 고활성 고내구성을 가실 수 있는 광촉매를 제공할 수 있다.The present invention solves the problems of mesoporous TiO 2 , which was able to produce irregular and specific coating forms, and also imparts thermal stability and high activity and high durability of mesoporous TiO 2 by impregnating transition metals in the pores by concentration. Photocatalysts can be provided.

본 발명은 산성 조건 하에서 계면활성제를 이용하여 형태 및 크기가 조절된 메조기공 산화금속을 합성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing mesoporous metal oxides whose shape and size are controlled using a surfactant under acidic conditions.

또한, 본 발명은 산성 조건 하에서 계면활성제를 이용하여 형태 및 크기가 조절된 기공을 가진 메조기공 TiO2를 합성하고, 상기 기공 내에 전이금속을 함침시키는 방법에 관한 것이다. In addition, the present invention relates to a method for synthesizing mesoporous TiO 2 having pores whose shape and size are controlled by using a surfactant under acidic conditions, and impregnating a transition metal in the pores.

구체적으로, 본 발명은 산성의 조건 하에서 계면활성제와 금속전구체를 반응시켜 메조기공을 합성하는 통상적인 메커니즘에 있어서, 상기 산성 조건으로 황산을 첨가하고 금속전구체로 티타늄전구체를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 즉, 계면활성제와 티타늄 전구체를 황산을 첨가한 산성조건 하에서 반응시켜 메조기공을 합성하는 것을 특징으로 하는 메조기공 TiO2 합성방법에 관한 것이다.Specifically, in the conventional mechanism for synthesizing mesopores by reacting a surfactant with a metal precursor under acidic conditions, sulfuric acid is added under the acidic conditions and a titanium precursor is added to the metal precursor. That is, the present invention relates to a method for synthesizing mesoporous TiO 2, characterized in that the mesopores are synthesized by reacting a surfactant and a titanium precursor under acidic conditions with sulfuric acid.

본 발명의 메조기공 TiO2를 제조방법은 하기 화학식 1 또는 화학식 2와 같은 구조를 갖는 계면활성제와 티타늄전구체를 반응시키고, 계면활성제와 티타늄전구체의 상호작용을 증대시키기 위하여 황산의 설포네이트기(SO4 2-)를 이용하는 것을 포함한다. 하기 계면활성제의 화학식에서 n(자연수)은 10~20의 범위를 가지며, 바람직하게는 13, 15 또는 17를 포함한다. 본 발명의 설포네이트기는 계면활성제와 티타늄 전구체의 상호작용을 증대시켜 티타늄 전구체가 계면활성제를 감사면서 중합반응을 일으키도록 하여 메조기공 TiO2를 제조하는 것을 가능하게 한다.In the method for producing mesoporous TiO 2 of the present invention, a sulfonate group (SO) of sulfuric acid is used to react a surfactant having a structure such as Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2 with a titanium precursor and increase the interaction between the surfactant and the titanium precursor. 4 2- ). In the formula of the following surfactant, n (natural number) has a range of 10-20, and preferably 13, 15, or 17. The sulfonate group of the present invention enhances the interaction of the surfactant with the titanium precursor, allowing the titanium precursor to undergo polymerization while auditing the surfactant, making it possible to produce mesoporous TiO 2 .

CH3(CH2)nN(CH3)3 +Br- n = 10~20CH 3 (CH 2 ) n N (CH 3 ) 3 + Br - n = 10 ~ 20

CH3(CH2)nN(CH2CH3)3 +Br - n = 10~20CH 3 (CH 2 ) n N (CH 2 CH 3 ) 3 + Br - n = 10 ~ 20

바람직하게는 본 발명의 계면활성제는 상기 화학식1의 구조를 갖는 테트라데실트리메틸암모늄브로마이드(Tetradecyltrimethylammonium Bromide), 헥사데실트리메틸암모늄브로마이드(Hexadecyltrimethylammonium Bromide) 및 옥타데케인트리메틸암모늄브로마이드(Octadecyltrimethylammonium Bromide)로 이루어진 그룹 또는 화학식 2의 구조를 테트라데실트리에틸암모늄브로마이드(Tetradecyltriethylammonium Bromide), 헥사데실트리에틸암모늄브로마이드(Hexadecyltriethylammonium Bromide) 및 옥타데케인트리에틸암모늄브로마이드(Octadecyltriethylammonium Bromide)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.Preferably the surfactant of the present invention is a tetradecyltrimethylammonium Bromide (Tetradecyltrimethylammonium Bromide), hexadecyltrimethylammonium Bromide (octadecanetrimethylammonium Bromide) and octadecane trimethylammonium Bromide (Octadecyltrimethylammonium group Bromide) having a structure of Formula 1 The structure of Formula 2 may be selected from the group consisting of Tetradecyltriethylammonium Bromide, Hexadecyltriethylammonium Bromide and Octadecanetriethylammonium Bromide.

본 발명의 방법에 따라 황산에 첨가된 설포네이트기(SO4 2-)는 계면활성제와 티타늄 전구체가 상호작용으로 상호인력을 증가시키는 결과를 가져온다. 그 작용효과를 구체적으로 설명하면, 티타늄 전구체가 물과 만나 가수분해되고, 산성 상태에서 중합반응이 일어나면서 중합되는 티타늄(-O-TI-O-)n 은 양이온적인 성격을 띠게 되고, 이때 계면활성제 아민기(R-N(CH3)3 +)의 양이온과의 강한 상호작용을 위해 서 설포네이트기(SO4 2-)가 중간에서 매개체 역할을 하면서 계면활성제 주위에서 결정이 성장하면서 메조기공 형태의 결정이 합성되는 것이다. 구체적으로 본 발명은 황산은 계면활성제와 45~50:1의 몰비, 바람직하게는 48:1의 몰비로 첨가하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명에 있어서 합성이 일어나는 반응기의 pH는 0.8~2.0이 바람직하다. The sulfonate group (SO 4 2- ) added to sulfuric acid according to the method of the present invention results in the interaction between the surfactant and the titanium precursor to increase the mutual attraction. Specifically, the titanium precursor is hydrolyzed when it meets with water and the polymerization reaction occurs in an acidic state. The sulfonate group (SO 4 2- ) acts as an intermediary for strong interaction with the cation of the active agent amine group (RN (CH 3 ) 3 + ), growing crystals around the surfactant in the form of mesoporous Crystals are synthesized. Specifically, the present invention includes adding sulfuric acid at a molar ratio of 45 to 50: 1, preferably at a molar ratio of 48: 1. In the present invention, the pH of the reactor in which the synthesis takes place is preferably 0.8 to 2.0.

또한, 본 발명은 산성 조건 하에서 계면활성제와 금속전구체를 반응시켜 메조기공 산화금속의 합성방법에 있어서, 산성 조건으로 황산을 1.0~1.5 M을 첨가하고, 계면활성제와 황산의 몰 비가 45~50가 되도록 계면활성제를 첨가하는 것을 포함한다.In addition, the present invention is a method for synthesizing a mesoporous metal oxide by reacting a surfactant and a metal precursor under acidic conditions, wherein 1.0 to 1.5 M sulfuric acid is added under acidic conditions, the molar ratio of the surfactant and sulfuric acid is 45-50 Adding a surfactant if possible.

또한, 본 발명 메조기공 TiO2의 제조방법은 티타늄 전구체와 계면활성제의 몰 비에 따라 다양한 형태의 메조기공이 합성방법을 포함한다. 구체적으로 본 발명에서 티타늄 전구체와 계면활성제의 몰 비가 1:1 내지 7:1의 비율로 첨가함으로써 원하는 형태의 메조기공 TiO2를 제공할 수 있다. In addition, the manufacturing method of the mesoporous TiO 2 of the present invention includes a method for synthesizing various types of mesopores according to the molar ratio of the titanium precursor and the surfactant. Specifically, in the present invention, the molar ratio of the titanium precursor and the surfactant may be added in a ratio of 1: 1 to 7: 1 to provide mesoporous TiO 2 of a desired form.

구체적으로, 티타늄 전구체와 계면활성제의 몰 비를 같은 비율로 조절하면 1:1로 상호작용이 일어나기 때문에 도 1a와 같은 판형 형태의 메조기공 TiO2가 합성되게 되고, 티타늄 전구체의 몰 비를 증가시키면 계면활성제와의 상호작용을 크게 하기 위해서 구 형태로 성장하게 되고, 도 1b와 같은 육방형 메조기공이 형성되게 된다. 육방형 형태의 메조기공 TiO2를 합성하기 위한 티타늄 전구체와 계면활성제 의 몰 비는 바람직하게는 5:1이다. Specifically, when the molar ratio of the titanium precursor and the surfactant is controlled at the same ratio, since the interaction occurs at 1: 1, the mesoporous TiO 2 having a plate-like shape as shown in FIG. 1a is synthesized, and when the molar ratio of the titanium precursor is increased, In order to increase the interaction with the surfactant, it grows in a spherical shape, and hexagonal mesopores as shown in FIG. 1B are formed. The molar ratio of titanium precursor and surfactant for synthesizing hexagonal mesoporous TiO 2 is preferably 5: 1.

또한, 본 방법에 있어서 티타늄 전구체와 계면활성제와 반응하는 반응기의 pH의 조절은 중요한 의미를 갖는다. pH에 따라 메조기공의 구조가 다르게 형성된다. 이러한 이유는 산 농도가 티타늄 전구체의 중합반응에 영향을 줄뿐만 아니라 산농도와 함께 설포네이트기(SO4 2-)의 농도에 따라 계면활성제와 중합되는 TiO 2사이에서의 상호작용에 크게 영향을 미치기 때문이다. 본 발명의 메조기공 TiO2의 합성이 가능한 pH 농도는 0.8에서 2.0이며, 바람직하게는 1에서 1.5이며, 가장 바람직하게는 1.3이다.In addition, in the present method, the adjustment of the pH of the reactor reacting with the titanium precursor and the surfactant has an important meaning. The structure of the mesopores is different depending on the pH. This is because the acid concentration not only affects the polymerization of the titanium precursor, but also greatly influences the interaction between the surfactant and TiO 2 polymerized depending on the concentration of sulfonate group (SO 4 2- ) with the acid concentration. Because it's crazy. The pH concentration at which the mesoporous TiO 2 of the present invention can be synthesized is 0.8 to 2.0, preferably 1 to 1.5, and most preferably 1.3.

또한, 바람직하게는 본 발명은 산성의 조건 하에서 계면활성제와 금속전구체를 반응시켜 메조기공 산화금속을 합성하는 방법에 있어서, 계면활성제:티타늄전구체:황산:물을 1:5:48:2057 몰(mol) 비로 첨가하는 것을 포함한다.Preferably, the present invention provides a method for synthesizing a mesoporous metal oxide by reacting a surfactant with a metal precursor under acidic conditions, wherein the surfactant: titanium precursor: sulfuric acid: water is 1: 5: 48: 2057 mol ( mol) addition in ratio.

한편, 본 발명은 계면활성제의 소수성 부분의 길이를 조절하여 기공의 크기를 조절하는 방법을 포함한다. 구체적으로 합성된 메조기공 TiO2의 기공 내부에는 계면활성제로 이루어져 있으므로 계면활성제의 소수성부분(알킬사슬로 이루어진 부분)의 길이를 조절하여 큰 길이의 소수성을 사용하면 큰 크기의 기공을 만들 수 있으며 소수성 부분의 길이가 짧은 계면활성제를 사용하면 작은 크기의 기공을 합성할 수 있게 된다. 실제로, 본 발명의 상기 화학식에서 n=13의 경우보다 n=15의 계면활성제를 첨가하는 경우 더 큰 기공을 합성하게 되면, 본 발명에서 n의 수를 조절함으로써 원하는 크기의 기공을 합성할 수 있는 방법을 제공한다.On the other hand, the present invention includes a method for controlling the size of the pores by adjusting the length of the hydrophobic portion of the surfactant. Specifically, since the synthesized mesoporous TiO 2 pores are composed of a surfactant, a large length of hydrophobicity can be made by adjusting the length of the hydrophobic portion (the alkyl chain) of the surfactant to make pores of large size. The use of surfactants with short lengths allows the synthesis of small pores. In fact, when adding a surfactant of n = 15 in the formula of the present invention than the case of n = 13 to synthesize larger pores, by adjusting the number of n in the present invention can be synthesized pores of the desired size Provide a method.

본 발명은 합성된 메조기공 TiO2의 기공 내에 전이금속을 함침시켜 전이금속이 함침된 메조기공 TiO2 및 이의 제조방법을 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 방법으로 합성된 메조기공은 기공 내에 계면활성제를 가지고 있어 자체로는 촉매로 사용할 수 없다. 따라서 계면활성제를 용매 또는 소성 방법으로 제거한 후 전이금속 전구체를 기공 내에 모세관현상을 이용하여 함침시킨 후 고온 또는 환원제를 이용하여 환원시키면 기공 내에 전이금속을 나노입자 크기로 농도별로 함침시킬 수 있어 다양한 활용이 가능하다. 바람직하게는 본 발명에서 전이금속으로 백금(Pt)을 포함한다.The present invention includes a mesoporous TiO 2 and a method for producing the impregnated transition metal by impregnating the transition metal in the pores of the synthesized mesoporous TiO 2 . Specifically, the mesopores synthesized by the method of the present invention have a surfactant in the pores and thus cannot be used as a catalyst per se. Therefore, if the surfactant is removed by solvent or calcination method, the transition metal precursor is impregnated into the pores using capillary phenomenon, and then reduced by using a high temperature or a reducing agent. This is possible. Preferably, the present invention includes platinum (Pt) as a transition metal.

본 발명에 의하면 계면활성제와 티타늄 전구체의 몰 비와 산의 농도 그리고 설포네이트의 농도에 따라 정밀하게 제어된 형태의 메조기공 TiO2 제조가 가능하고, 더 나아가 메조기공 TiO2 기공 내 전이금속, 바람직하게는 백금(Pt)을 함침시켜 광촉매의 광활성을 향상시킬 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to prepare mesoporous TiO 2 in a precisely controlled form according to the molar ratio of the surfactant and the titanium precursor, the acid concentration and the sulfonate concentration, and furthermore, a transition metal in the mesoporous TiO 2 pores, preferably Preferably impregnated with platinum (Pt) it is possible to improve the photoactivity of the photocatalyst.

상기한 바와 같이 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다. As mentioned above, features of the present invention and other advantages will become more apparent from the embodiments described below. However, the present invention is not limited to the following examples.

<실시예><Example>

실시예 1: 계면활성제의 합성Example 1 Synthesis of Surfactant

본 실시예는 화학식1 또는 화학식2로 표시되는 계면활성제를 합성하는 것을 예시하기 위한 것이다. This embodiment is for illustrating the synthesis of the surfactant represented by the formula (1) or (2).

온도 컨트롤러를 구비한 항온조 내에 설치된 2구 플라스크에 아세토니트릴용액 100mL를 넣고 1-브로머테트라데케인(1-Bromotetradecane) 용액을 실린지로 10 mL를 취하여 상기용액에 첨가하였다. 반응물들을 완전히 용해시킨 후, 트리메틸아민(Trimethylamine)을 1:1.5 몰(mol) 비율로 첨가하였다.100 mL of acetonitrile solution was placed in a two-necked flask equipped with a temperature controller, and 10 mL of 1-bromtetradecane solution was added to the solution. After the reactants were completely dissolved, trimethylamine was added at a ratio of 1: 1.5 mol.

이어서, 오븐의 온도를 80 로 10시간 이상 반응을 보낸 후, 용매를 충분히 날려주었다. 얻어진 계면활성제를 클로로포름(Chloroform)과 에틸아세테이트(Ethylacetate)를 1:3의 비율의 용매를 첨가하여 재결정을 하였다. 재결정은 3회 이상 실시하였다.Subsequently, after sending reaction temperature to 80 or more for 10 hours, the solvent was blown enough. The obtained surfactant was recrystallized from chloroform and ethyl acetate (Ethylacetate) by adding a solvent in a ratio of 1: 3. Recrystallization was carried out three or more times.

비교예 1Comparative Example 1

같은 방법으로 1-브로머헥사데케인(1-Bromotehexadecane), 1-브로머옥타데케인(1-Bromooctadecane)을 트리메틸아민(Trimethylamine)과 트리에틸아민(Triethylamine)을 사용하여 동일한 절차를 반복하였다.In the same manner, 1-bromerhexadecane (1-Bromotehexadecane) and 1-bromeroctadecane (1-Bromooctadecane) were repeated using trimethylamine and triethylamine.

실시예 2: 판형 구조의 메조기공 TiOExample 2 Mesoporous TiO of Plate Structure 22 의 합성 Synthesis of

뚜껑이 있는 1000mL 플라스틱 병에 실시예 1에서 얻어진 계면활성제 1g을 1.3M 황산용액 100mL에 용해시킨 후 교반기를 이용하여 충분히 용해될 때까지 교반하였다. 이어서, 반응조의 온도를 0℃로 낮춘 후 1시간 이상이 지난 후 티타늄아이소프로폭사이드(Titaniumisopropoxide)를 계면활성제의 1:1 몰 비율로 조절하여 천천히 첨가하였다. 첨가가 끝나면 플라스틱 병의 뚜껑을 닫고 10분 간격으로 3∼4번 격렬하게 흔들어 주었다. 5시간 이상을 실온에서 방치한 후 여과기를 이용하여 합성물을 거른 후 300mL의 증류수로 충분히 세척하였다. 얻어진 생성물을 80℃ 오븐에 넣고 2시간 이상 건조시키고, 건조된 시료는 구조유도체(계면활성제)를 제거하기 위하여 350℃ 또는 400℃에서 3시간 동안 소성시켰다. In a 1000 mL plastic bottle with a lid, 1 g of the surfactant obtained in Example 1 was dissolved in 100 mL of 1.3 M sulfuric acid solution, followed by stirring until it was sufficiently dissolved in a stirrer. Subsequently, after lowering the temperature of the reactor to 0 ° C. and over 1 hour, titanium isopropoxide was slowly added by adjusting the ratio of 1: 1 mole of the surfactant. After the addition, the lid of the plastic bottle was closed and shaken vigorously three to four times at 10 minute intervals. After leaving at room temperature for 5 hours or more, the composite was filtered using a filter, and then sufficiently washed with 300 mL of distilled water. The resulting product was placed in an 80 ° C. oven and dried for at least 2 hours, and the dried sample was calcined at 350 ° C. or 400 ° C. for 3 hours to remove the structural derivative (surfactant).

비교예 2: 육방형 메조기공 TiOComparative Example 2: Hexagonal Mesoporous TiO 22 합성  synthesis

상기 설명한 실험내용과 동일하며, 다만 티타늄전구체와 계면활성제의 몰 비율을 5:1로 조절하여 합성하였다.It is the same as the experimental content described above, but was synthesized by adjusting the molar ratio of titanium precursor and surfactant to 5: 1.

실시예 3: 전이금속(Pt)이 함침된 메조기공 TiOExample 3: Mesoporous TiO Impregnated with Transition Metal (Pt) 22 의 합성Synthesis of

상기 메조기공 TiO2 중의 적어도 어느 하나, 계면활성제가 제거된 아세톤 용매를 비이커에 넣고 충분히 용해시킨 후, 백금 전구체로 헥사클로로플라토닉산 (H2PtCl6·6H2O)을 14.7mg을 72㎕의 아세톤에 녹인 후 0.05g의 메조기공 TiO2를 혼합하여 균일하게 섞었다. 용액이 기공 속으로 충분히 들어갈 수 있도록 섞은 후 333 K 오븐에서 6시간 두어 아세톤을 충분히 증발 건조시킨 후, 건조된 시료를 U자형 반응기에 넣고 수소기체를 흘려주면서 상온에서 573K까지 4시간 동안 올린 후 573K에서 2시간 동안 유지시키면서 백금 전구체를 환원시켰다. 흘려준 수소기체의 유속은 0.36Lmin-1g-1이었으며, 산소불순물이 제거된 순수한 수소기체를 상용하기 위 하여 MnO/SiO2 트랩을 통과시켰다. 환원처리 후 573K에서 2시간 동안 진공 처리하여 반응기에 남아있는 수소를 제거하였다. At least one of the mesoporous TiO 2 , acetone solvent from which the surfactant has been removed, is completely dissolved in a beaker, and then 14.7 mg of hexachloroplatonic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) is used as a platinum precursor, and 72 μl of After dissolving in acetone, 0.05 g of mesoporous TiO 2 was mixed and mixed uniformly. After the solution is mixed enough to enter the pores, put it in the 333 K oven for 6 hours to evaporate and dry the acetone sufficiently. Put the dried sample in a U-shaped reactor and raise the hydrogen gas to 573K for 4 hours at room temperature. The platinum precursor was reduced while maintaining at 2 hours. The flow rate of the flowed hydrogen gas was 0.36 Lmin-1g-1, and the MnO / SiO 2 trap was passed through to purify the pure hydrogen gas from which oxygen impurities were removed. After reduction, the mixture was vacuumed at 573 K for 2 hours to remove hydrogen remaining in the reactor.

메조기공 TiOMesoporous TiO 22 의 구조분석Structural analysis

본 발명의 메조기공 TiO2의 합성여부는 XRD를 이용하여 형성된 구조 형태를 분석하였고, TEM 사진을 통하여 확인하였다.Synthesis of mesoporous TiO 2 according to the present invention was analyzed by XRD and confirmed by TEM image.

(1) XRD 측정(1) XRD measurement

X-선 분말 회절 분석은 물질의 구조 분석에 있어서 가장 보편화된 분석 방법이다. 본 연구의 합성한 메조기공 TiO2 물질의 기공구조는 X-선 회절 분석을 이용하여 분석할 수 있었다. X-선 분말 회절 패턴은 Cu Ka radiation (λ=0.1541 nm)을 X-선원으로 하는 Rigaku diffractometer(miniflex, 30kV, 15mA)를 이용하여 0.01°2θ간격으로 변화시키면서 측정하였다. 측정범위는 1°< 2θ<6°에서 분당 1°속도(1°min-1)로 측정하였다. 도 2a의 XRD에서 나타난 피크를 분석하면 (100), (200), (300) 형태의 피크로 구성되어 있어 판형 형태의 구조를 가진 메조기공 TiO2가 형성되었다는 것을 알 수 있었다. 도 3a의 XRD 피크를 분석해 보면 (100), (110), (200) 등의 피크로 이루어진다는 것을 계산할 수 있으며 육방형 구조의 메조기공 TiO2가 형성되었음을 알 수 있었다. X-ray powder diffraction analysis is the most common analytical method for structural analysis of materials. The pore structure of the mesoporous TiO 2 material synthesized in this study could be analyzed using X-ray diffraction analysis. The X-ray powder diffraction pattern was measured while changing at 0.01 ° 2θ intervals using a Rigaku diffractometer (miniflex, 30 kV, 15 mA) using Cu Ka radiation (λ = 0.1541 nm) as an X-ray source. The measurement range was measured at 1 ° per minute (1 ° min −1 ) at 1 ° <2θ <6 °. Analysis of the peaks shown in XRD of FIG. 2A shows that the mesopores TiO 2 having a plate-like structure were formed by the peaks of (100), (200) and (300) forms. Analyzing the XRD peak of FIG. 3a, it can be calculated that the peak consists of (100), (110), (200), etc., and it was found that mesoporous TiO 2 having a hexagonal structure was formed.

(2) TEM 측정(2) TEM measurement

합성된 메조기공 TiO2는 투과 전자 현미경으로 특성 분석하였다. 투과 전자 현미경 상은 Phillips CM20 apparatus (100 kV)를 이용하여 얻었다. 투과 전자 현미경 분석을 위해서 0.03g의 메조기공 TiO2를 아세톤 20g에 분산시키고 30분간 초음파 처리하여 분산용액을 제조하였다. 탄소막 처리된 구리 그리드를 분석용액과 수 초간 접촉시킨 후 실온에서 건조시켜 TEM 시편을 준비하였다. 도 2b에서는 판형 구조의 메조기공 TiO2를 합성한 것을 보여주고 있으며, 도 3b는 육방형 형태의 메조기공 TiO2가 합성된 것을 알 수 있었다.The synthesized mesoporous TiO 2 was characterized by transmission electron microscopy. Transmission electron microscopy images were obtained using a Phillips CM20 apparatus (100 kV). For transmission electron microscopic analysis, 0.03 g of mesoporous TiO 2 was dispersed in 20 g of acetone and sonicated for 30 minutes to prepare a dispersion solution. The carbon film-treated copper grid was contacted with the analytical solution for several seconds, and then dried at room temperature to prepare a TEM specimen. In FIG. 2B, the mesoporous TiO 2 having a plate-like structure is synthesized, and FIG. 3B shows that the mesoporous TiO 2 having a hexagonal shape is synthesized.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 계면활성제와 티타늄 전구체의 몰 비 그리고 황산을 이용한 pH 조절을 통하여 기공 크기가 다양하고 구조적으로 판형 및 육방형 형태의 메조기공 TiO2를 합성할 수 있으며, 더 나아가 기공 내에 전이금속 Pt를 나노크기로 함침시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the mesopores TiO 2 having various pore sizes and structurally plate-shaped and hexagonal forms can be synthesized by controlling the molar ratio of the surfactant and the titanium precursor and pH using sulfuric acid. The pores may be impregnated with transition metal Pt in nanoscale.

이렇게 합성된 메조기공 TiO2는 표면적이 넓고 전이금속에 의한 광활성이 높아 광촉매로의 활용이 우수하며, 특히 전이금속 Pt를 농도별로 함침시킬 수 있어 가시광선에서 활성을 가지는 광촉매로서의 활용되고 고활성 및 고내구성을 가진 촉매로서 활동될 수 있다.The mesoporous TiO 2 synthesized in this way has a wide surface area and high photoactivity by transition metals, so it is excellent as a photocatalyst. Especially, it can be used as a photocatalyst having activity in visible light because it can impregnate transition metal Pt by concentration. It can act as a catalyst with high durability.

Claims (12)

산성 조건 하에서 계면활성제와 금속전구체를 반응시켜 메조기공 산화금속의 합성방법에 있어서, pH 0.8 ~ 2.0의 산성조건을 형성하도록 황산의 양을 투입하는 것을 특징으로 하고, 화학식(Ⅰ) 또는 화학식 (Ⅱ)의 구조를 갖는 계면활성제와 황산의 몰비가 45 ~ 50인 것을 특징으로 하고, 상기 계면활성제의 몰비와 티타늄 전구체와의 몰비가 1:1 ~ 1:7인 것을 특징으로 하는 메조기공 TiO2의 합성방법.A method of synthesizing mesoporous metal oxides by reacting a surfactant with a metal precursor under acidic conditions, wherein the amount of sulfuric acid is added to form an acidic condition of pH 0.8 to 2.0, and the formula (I) or formula (II) The molar ratio of the surfactant having a structure of) and sulfuric acid is 45 to 50, the molar ratio of the molar ratio of the surfactant and the titanium precursor is 1: 1 to 1: 7 of the mesoporous TiO 2 Synthesis method. 화학식 1: CH3(CH2)nN(CH3)3 +Br- n = 10 ~ 20Formula 1: CH 3 (CH 2 ) n N (CH 3 ) 3 + Br - n = 10 to 20 화학식 2: CH3(CH2)nN(CH2CH3)3 +Br- n = 10 ~ 20Formula 2: CH 3 (CH 2 ) n N (CH 2 CH 3 ) 3 + Br n = 10 to 20 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 따라 합성된 메조기공 TiO2에 계면활성제를 제거하고 백금전구체를 함침시키는 것을 특징으로 하는 가시광응답 메조기공 TiO2의 합성방법.Claim 1, wherein the mesoporous synthetic method of the visible light response mesoporous TiO 2, characterized in that the TiO 2 to remove the surfactant, and was impregnated with a platinum precursor synthesized according to the. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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