KR100844007B1 - The manufacturing method of one-body photoanode - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명 방법으로 제조된 일실시예 포토어노드를 보인 모식도로서,1 is a schematic view showing an embodiment photoanode prepared by the method of the present invention,
(가)는 일측 표면에만 산화물층이 형성된 포토어노드의 단면도이고, (A) is a cross-sectional view of a photoanode having an oxide layer formed on only one surface thereof,
(나)는 양 표면에 산화물층이 모두 형성된 포토어노드의 단면도이다. (B) is sectional drawing of the photoanode in which the oxide layer was formed in both surfaces.
도 2는 본 발명 방법을 실시하기 위한 일실시예 열처리로의 개략 구조도.2 is a schematic structural diagram of an embodiment heat treatment furnace for carrying out the method of the present invention.
도 3은 본 발명 방법을 실시하기 위한 일실시예 양극 산화 장치의 개략 구조도3 is a schematic structural diagram of an embodiment anodizing apparatus for implementing the method of the present invention
도 4는 본 발명 방법의 일실시예 블록도.4 is an embodiment block diagram of the method of the present invention.
도 5는 포토어노드 시료들에 대한 자외선/가시광선 영역에서의 흡광 스펙트럼.5 is an absorption spectrum in the ultraviolet / visible region for photoanode samples.
도 6 내지 8은 도 5의 시료들에 대한 X선 회절 패턴 그래프.6 to 8 are X-ray diffraction pattern graphs of the samples of FIG. 5.
도 9는 시료 1의 세척 후 표면 사진으로서,9 is a photograph of the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 10은 시료 2의 세척 및 5%HF 산세 후 표면 사진으로서,10 is a surface photograph after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 11은 시료 3의 세척, 5%HF 산세 및 350℃ 1시간 열처리(대기 산화) 후 표면 사진으로서,FIG. 11 is a surface photograph after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 12는 시료 4의 세척, 5%HF 산세, 1%H3PO4 내 양극 산화 1시간 및 350℃ 1시간 열처리(박막 두께 약 80nm) 후 표면 사진으로서,12 is a surface photograph after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 13은 시료 5의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(20V, 1시간) 및 350℃ 1시간 열처리(박막 두께 약 600nm) 후 표면 사진으로서,FIG. 13 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 14는 시료 6의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(20V, 1시간) 및 350℃ 5시간 열처리(박막 두께 약 600nm) 후 표면 사진으로서,14 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 15는 시료 7의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(20V, 1시간) 및 450℃ 1시간 열처리(박막 두께 약 700nm) 후 표면 사진으로서,15 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 16은 시료 8의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(20V, 1시간) 및 450℃ 5시간 열처리(박막 두께 약 600nm) 후 표면 사진으로서,FIG. 16 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 17은 시료 9의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(30V, 1시간) 및 350℃ 1시간 열처리(박막 두께 약 2,000nm) 후 표면 사진으로서,Figure 17 after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 18은 시료 10의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(30V, 1시간) 및 350℃ 5시간 열처리(박막 두께 약 618nm) 후 표면 사진으로서,18 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 19는 시료 11의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(30V, 1시간) 및 450℃ 1시간 열처리(박막 두께 약 400nm) 후 표면 사진으로서,19 shows the surface after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 20은 시료 12의 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(30V, 1시간) 및 450℃ 5시간 열처리(박막 두께 약 2,200nm) 후 표면 사진으로서,20, after washing of
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 80,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 80,000 times scanning microscope image.
도 21은 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(20V, 1시간) 및 열처리 미실시 후 표면 사진으로서,FIG. 21 is a surface photograph after washing, 5% HF pickling, 0.5 MH 3 PO 4 + 0.14 M NaF + 0.1 M NaNO 3 (20 V, 1 hour) and without heat treatment.
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 22는 세척, 5%HF 산세, 0.5M H3PO4 + 0.14M NaF + 0.1M NaNO3 내 양극 산화(30V, 1시간) 및 열처리 미실시 후 표면 사진으로서,FIG. 22 is a surface photograph after washing, 5% HF pickling, 0.5 MH 3 PO 4 + 0.14 M NaF + 0.1 M NaNO 3 after anodization (30 V, 1 hour) and no heat treatment.
(가)는 1,000배의 주사현미경 이미지이고, (A) is 1,000 times the scanning microscope image,
(나)는 100,000배 주사현미경 이미지이다. (B) is 100,000-times scanning microscope image.
도 23은 도 5의 시료들에 대한 에닥스(EDAX) 결과 그래프.FIG. 23 is a graph of EDAX results for the samples of FIG. 5. FIG.
도 24는 도 5의 시료들의 메틸렌 블루 광촉매 분해능을 보인 그래프24 is a graph showing the methylene blue photocatalyst resolution of the samples of FIG.
도 25는 상용 데구사(Degussa) P25 투입양에 따른 메틸렌 블루 광촉매 분해능을 보인 그래프.25 is a graph showing the methylene blue photocatalyst resolution according to the commercial Degussa P25 input amount.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)) ((Explanation of symbols for main part of drawing))
11. 금속 지지체층 12. 금속 산화물층 11.
21. 로(爐) 31. 상대 전극(음극) 21.
32. 전해질 33. 양극 32.
본 발명은, 광(光)을 흡수하여 전자와 정공 등의 전하쌍을 생성하는 광촉매 물질이 전자수집 기능을 가진 금속 성분의 지지체 표면에 형성되도록 함으로써, 광촉매 탈리 현상을 극복할 수 있도록 하며, 궁극적으로는, 광에 감응하여 활성을 나타내는 광촉매가 지지체 위에 안정한 상태로 고정화됨으로써 활용성을 향상시킨, 광촉매와 지지체를 일체로 결합시킨 포토어노드의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention allows photocatalytic materials, which absorb light to generate charge pairs such as electrons and holes, to be formed on the support surface of a metal component having an electron collecting function, thereby overcoming photocatalytic desorption and ultimately The present invention relates to a method for producing a photoanode in which a photocatalyst and a support are integrally bonded, in which photocatalytic activity in response to light is immobilized in a stable state on a support to improve usability.
산업혁명 이후의 급속한 공업화 및 현대 사회의 발전은 화석 연료를 에너지원으로 이루어졌으나, 화석 연료의 사용에 따라 과도한 이산화탄소가 발생됨으로써 지구의 온난화가 초래되고 있을 뿐 아니라, 각종 환경 문제를 일으키고 있음은 물론, 그 매장량이 제한적일 수 밖에 없는 바, 새로운 대체 에너지원의 개발이 시급한 실정이다.The rapid industrialization and development of modern society after the Industrial Revolution consisted of fossil fuel as an energy source, but the excessive warming of carbon dioxide caused by the use of fossil fuel not only causes global warming, but also causes various environmental problems. Since the reserves are limited, it is urgent to develop new alternative energy sources.
따라서, 상기와 같이 화석 연료의 사용에 따른 각종 문제점들을 해결하고 안정적인 에너지원의 확보라는 측면에서 태양열, 조력, 풍력 등의 환경친화적인 천연의 대체 에너지원을 개발하기 위하여 각종 연구가 진행되고 있으나, 이러한 천연의 에너지원들은 에너지 밀도가 매우 낮아 즉시 활용하기가 어려운 동시에 대규모의 설비 투자가 필요로 될 뿐만 아니라, 현재의 기술 수준으로는 에너지 변환율이 낮기 때문에 경제성도 떨어지는 문제가 있다.Therefore, in order to solve various problems caused by the use of fossil fuel as described above and to secure a stable energy source, various studies are being conducted to develop environmentally friendly natural alternative energy sources such as solar, tidal, and wind power. These natural energy sources are very low in energy density, difficult to use immediately, and require large-scale facility investments. Also, current energy levels have low energy conversion rates, which lowers economic efficiency.
상기와 같은 천연 에너지원들의 문제점은 단시간 내에 해결될 수 없는 장기적인 연구 과제인 바, 화석 연료와 같이 저장이 용이하며, 자동차 등의 연료로서 즉시 사용이 가능한 수소가 에너지원으로서 주목받게 되었다.The problem of the natural energy sources as described above is a long-term research problem that cannot be solved in a short time, the hydrogen is easy to store, such as fossil fuel, attention has been attracting attention as an energy source hydrogen that can be used immediately as a fuel for automobiles.
수소는, 거의 무한정한 물 또는 유기물질로부터 제조될 수 있으며, 연소시 극소량의 NOX를 제외하고는 공해가 거의 없는 바, 세계 각국은, 수소를 효율적으로 제조하는 동시에, 이를 간편히 저장할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 각축을 벌이고 있다.Hydrogen can be produced from almost infinite water or organic materials, and there is little pollution except for a very small amount of NO X during combustion, so that countries around the world can efficiently produce hydrogen and simply store it. It is struggling to develop
상기와 같은 수소를 제조하는 가장 간단한 방법으로는 물을 전기분해하는 방법을 들 수 있으나, 전기분해 방법은 효율이 낮을 뿐만 아니라, 전기라는 별도의 에너지원을 필요로 한다는 단점을 가지고 있으며, 자연 에너지원인 태양광을 이용 하는 방법도, 그 단계별 효율이 떨어지기 때문에 경제적으로 볼 때 사용화에 난점이 있다.The simplest method for producing hydrogen may be a method of electrolyzing water, but the electrolysis method is not only low efficiency, but also requires a separate energy source called electricity, and natural energy Cause The method using solar light also has difficulties in economical use because of its low efficiency at each stage.
전기분해 외에 광촉매를 이용하여 수소를 얻을 수 있는 방법이 있는데, 광촉매는, 광에너지를 화학에너지로 변환시킴으로써 유독 유기물 분해 등의 환경 정화 영역에서 많은 기여를 할 수 있는, 반도체의 성질을 가지고 있는 물질로서, 광촉매는, 태양광을 이용하여 수소를 제조하거나 유기물을 분해하는, 즉, 양성자(H+)를 환원시키는 동시에 유기물을 산화시키는 특성을 가지고 있다.In addition to electrolysis, there is a method of obtaining hydrogen by using a photocatalyst. A photocatalyst is a substance having a semiconductor property that can make a large contribution in the environmental purification area such as decomposition of toxic organic substances by converting light energy into chemical energy. As a photocatalyst, a photocatalyst has a characteristic of producing hydrogen by using sunlight or decomposing organic substances, that is, reducing protons (H + ) and oxidizing organic substances.
상기와 같은 특성을 가진 '광촉매'란, '광반응을 가속시키는 촉매'를 지칭할 때 사용되는데, '광촉매'가 되기 위해서는 일반적인 '촉매'로서의 조건을 만족시켜야 함은 물론, 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 할 뿐 아니라, 기존의 광반응과 다른 반응 경로를 제공하여 반응속도를 가속시킬 수 있어야 한다.The term "photocatalyst" having the above characteristics is used to refer to a catalyst for accelerating a photoreaction. In order to become a photocatalyst, it is necessary to satisfy the conditions as a general "catalyst" and directly participate in the reaction. Not only should it be consumed, but it should also be able to accelerate the reaction rate by providing a different reaction path than the existing photoreaction.
이때, 반응속도를 가속시켜야 한다는 것은, 액티브 사이트(active site)당 생성물비(turnover ratio)가 '1.0'보다 커야 함을 의미하는 것으로, 이러한 조건을 만족하기 위해서는 광촉매가 광학적으로 활성 상태가 되어야 하는 바, 광촉매가 광화학적으로 활성화되기 위해서는 띠에너지(또는, 띠간격에너지, Eg) 이상의 빛에너지가 필요하다.In this case, to accelerate the reaction rate means that the turnover ratio per active site must be greater than '1.0'. To satisfy this condition, the photocatalyst must be optically active. In order to activate the photocatalytic photocatalyst, light energy of more than band energy (or band gap energy, E g ) is required.
상기 띠에너지는, 전자에 의해 점유되는 가장 높은 에너지 띠(energy band)로서의 공유띠(valence band)와, 전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지 띠로서의 전도띠(conduction band) 사이의 차이로서, 전자가 점유할 수 없는 금지된 간격이며, 공유띠에 있는 전자를 여기시킴으로써 반응에 참여하는 전자/정공쌍을 생성시킬 수 있는 최소의 에너지이다.The band energy is the difference between the valence band as the highest energy band occupied by the electron and the conduction band as the lowest energy band not occupied by the electron. Is a forbidden interval that cannot be occupied, and is the minimum energy that can produce an electron / hole pair to participate in the reaction by exciting electrons in the common band.
상기와 같은 특성을 갖는 광촉매 물질로는, 일반적으로, 반도체 성질의 금속 산화물들, 예를 들어, 삼산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 탄화규소(SiC), 황화카드늄(CdS), 갈륨비소(GaAs) 등이 있으나, 일반적으로는 아나타제(anatase)구조의 티타니아가 사용되는데, 이는, 티타니아가 광촉매로서의 효율이 우수하면서도 비교적 저가일 뿐만 아니라, 공급이 원활한 동시에 광부식성이 없는 등의 안정성이 확인되었기 때문이다.Photocatalyst materials having such characteristics are generally metal oxides of semiconductor nature, such as tungsten trioxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), silicon carbide (SiC), cadmium sulfide (CdS), Although gallium arsenide (GaAs), etc., generally, titania having an anatase structure is used, which is not only excellent in terms of efficiency as a photocatalyst but also relatively inexpensive, and has a smooth supply and no photocorrosion. Because it was confirmed.
그러나, 티타니아의 경우 상대적 에너지 위치 측면에서 수소가 거의 발생되지 않고 있으며, 수소 발생용으로 고안된 또 다른 광촉매 물질인 페로프스카이트(perovskite)는 제조 방법이 복잡하면서도 재현성이 떨어지는 등의 문제점을 가지고 있다.However, in the case of titania, hydrogen is hardly generated in terms of relative energy position, and another photocatalytic material designed for hydrogen generation, perovskite, has a problem in that the manufacturing method is complicated and the reproducibility is poor. .
따라서, 수소를 제조하기 위한 방법으로서 광촉매 재료적인 개발과 더불어 광전기화학적(photoelectrochemical) 접근 방법에 대한 연구가 폭 넓게 이루어지고 있으나, 광촉매를 이용한 수소 제조 방법은 효율이 높은 반면, 전극이 고가이고 전기화학적으로 불안정할 뿐 아니라, 그 규모를 확대하는데 어려움이 있는 등 여러가지 문제점들 때문에 그 진전이 거의 이루어지지 못하고 있는 실정이다.Therefore, as a method for producing hydrogen, photocatalytic materials and photoelectrochemical approaches have been extensively studied. However, hydrogen production using photocatalysts has high efficiency, while electrodes are expensive and electrochemical. Not only is it unstable, but it is difficult to expand its size, and thus the progress is hardly achieved due to various problems.
본 발명은, 일반적으로, 광촉매가 입자나 콜로이드 용액 상태로 제조됨으로써, 에너지 전환 및 환경 정화 분야에서, 특정 지지체에 고정화되어 활용될 경우 고정화가 어려울 뿐 아니라, 고정화된 후 쉽게 탈리되는 등의 많은 제약이 따르게 되는 종래 광촉매가 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 광흡수를 통하여 전자/정공 등의 전하쌍을 생성하는 광촉매가, 전자수집 기능이 있는 지지체 표면에 안정하게 생성됨으로써, 수소를 효율적으로 생성시킬 있을 뿐만 아니라 다양한 분야에 안정적으로 활용될 수 있도록 광촉매 산화물과 지지체를 일체형으로 고정화시킨 포토어노드 즉, 광감응 전극을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.In general, the present invention is prepared by the photocatalyst in the form of particles or colloidal solutions, and thus, in the field of energy conversion and environmental purification, it is difficult to immobilize when immobilized on a specific support, and many restrictions such as easy detachment after immobilization. This invention was devised to solve all the problems of the conventional photocatalyst. The photocatalyst, which generates charge pairs such as electrons / holes through light absorption, is stably generated on the surface of the support having the electron collecting function, thereby generating hydrogen. It is an object of the present invention to provide a photoanode, that is, a photosensitive electrode in which the photocatalyst oxide and the support are integrally fixed so as to be efficiently generated and used stably in various fields.
본 발명의 상기 목적은, 대기 산화 또는 양극 산화 반응에 의하여 달성된다.The above object of the present invention is achieved by an atmospheric oxidation or anodization reaction.
본 발명 방법으로 제조되는 일체형 포토어노드는, 광촉매 산화물을 금속 지지체에 고정화시켜 일체화한 것으로, 광촉매의 안정성이 향상됨으로써 수소를 효율적으로 생성시킬 수 있는 특징이 있다.The integrated photoanode manufactured by the method of the present invention is formed by immobilizing a photocatalyst oxide on a metal support, and is characterized in that hydrogen can be efficiently generated by improving the stability of the photocatalyst.
상기와 같은 본 발명 방법에 의한 포토어노드는, 대기 산화 또는 양극산화 반응을 통하여 광촉매 물질인 티타니아가 지지체인 금속 티타늄(Ti) 표면에 일체형으로 결합된 구조로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 판상의 금속 티타늄 지지체(11)와, 지지체(11) 양 면 중 적어도 어느 일면에 형성된 티타늄 금속산화물층(12)으로 이루어진다.As described above, the photoanode according to the method of the present invention is a structure in which the photocatalytic material titania is integrally bonded to the surface of the metal titanium (Ti) as a support through atmospheric oxidation or anodization, as shown in FIG. It consists of a plate-shaped
즉, 일체형 포토어노드는, 지지체(11)와 산화물층(12)이 적층 상태로 결합되는 바, 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 통하여 전자가 한 방향으로 이동하도록 유도됨으로써, 산화환원 반응을 분리하여 일으킬 수 있게 된다.That is, since the integrated photoanode is bonded to the
이때, 상기 금속산화물층(12)은, 산세처리된 지지체(11)를 산소 분위기에서 열처리하거나, 구리 또는 백금 코일을 상대 전극으로 하여 티타늄 금속판을 전기화학적으로 산화시키는 방법 등을 통하여 생성되는 바, 본 발명 방법은 다음과 같다.In this case, the
티타늄 등과 같은 전도성 금속 지지체를 세제로 세척하고, 세척된 지지체를, 3∼7vol.%의 질산, 황산, 염산, 불산 등 무기산 용액에 1차 산세하거나, 1차 산세 후 40∼50vol.% HF, 60∼70vol.% HNO3 및 25∼30vol.% H2O2 등을 1:1∼2:1의 부피비로 섞은 혼합액에 2차 산세 처리를 실시하여 지지체의 표면에 자연적으로 생성된 루타일(rutile) 구조의 티타티아를 제거하게 되는데, 상기의 산세 과정에 의해, 완벽하게 결합을 하지 못하여 여분으로 남아 있게 되는 티타니움 원자들의 최외각 전자가인 댕글링 본드(dangling bond)가 생성된다.A conductive metal support such as titanium is washed with a detergent, and the washed support is first pickled with 3 to 7 vol.% Of inorganic acid solution such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid, or after 40 to 50 vol.% HF, Secondary pickling treatment was performed on a mixed solution of 60 to 70 vol.% HNO 3 and 25 to 30 vol.% H 2 O 2 at a volume ratio of 1: 1 to 2: 1 to form naturally produced rutile ( Titatia of rutile structure is removed, and the pickling process produces a dangling bond, which is the outermost electron of titanium atoms that are not completely bonded and remain redundant.
이때, 상기 1차 산세시 사용한 산용액은 무기산으로, 유기산을 사용하면 열처리시 불균일한 산화막이 형성될 수 있으며, 무기산의 농도가 3%에 미치지 못하면 기생성된 산화막에 대한 에칭이 불균일하게 되며, 농도가 7%를 초과하면, 티타니움판이 용해될 수 있다.At this time, the acid solution used during the first pickling is an inorganic acid, when an organic acid is used, a nonuniform oxide film may be formed during heat treatment. If the concentration of the inorganic acid is less than 3%, the etching of the parasitic oxide film is uneven. If the concentration exceeds 7%, the titanium plate may dissolve.
또한, 2차 산세를 위한 용액은 무기산과 강산화제의 혼합용액으로, 질산용액은 불산 및 과산화수소에 대하여 체적 기준으로 2배까지 사용할 수 있으며, 이 비 율에 미치지 못하면 이미 생성된 산화막의 에칭이 불균일하게 되며, 상기 비율을 초과하면 티타니움판이 용해될 수가 있다.In addition, the solution for secondary pickling is a mixed solution of inorganic acid and strong oxidizing agent, the nitric acid solution can be used up to twice the volume for hydrofluoric acid and hydrogen peroxide.If this ratio is not reached, the etching of the already formed oxide film is uneven. If the ratio is exceeded, the titanium plate may be dissolved.
그 후, 도 2에 도시된 바와 같이, 분위기 가스 및 처리 온도를 조절할 수 있는 조건을 가진 튜브형 로(21)에서 산화 대상 지지체의 단위 표면적(1㎠)당 산소를 40∼60 ml/min 유량으로 공급하면서 350∼450℃에서 열처리하거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 구리 또는 백금 코일을 상대 전극인 음극(31)으로 하여 인산(H3PO4), 불화소다(NaF) 그리고 질산나트륨(NaNO3) 등이 적절히 혼합된 전해질(32) 내에서 양극(33)인 티타늄 표면을 산화시킨 후 상기와 동일한 방법으로 열처리를 실시함으로써, 본 발명의 일체형 포토어노드가 만들어진다.After that, as shown in FIG. 2, the oxygen per unit surface area (1 cm 2) of the support to be oxidized at a flow rate of 40 to 60 ml / min in the
이때, 열처리 시 산화분위기를 형성시키기 위하여 공급되는 지지체의 단위 표면적(1㎠)당 산소의 양이 40ml/min에 미치지 못하면 산화물층을 형성 시간이 늦어짐은 물론 산화물이 불완전하게 형성될 수가 있고, 60ml/min를 초과하는 경우에는 그 이상의 효과를 볼 수 없으며, 열처리 시간의 경우에는, 산소 공급량, 열처리 온도, 지지체 표면적 등에 따라 변화하게 되는 바, 대체적으로는 1∼10시간 정도 소요된다.At this time, if the amount of oxygen per unit surface area (1 cm 2) of the support supplied to form the oxidation atmosphere during the heat treatment is less than 40ml / min, the oxide layer formation time is delayed and the oxide may be incompletely formed, 60ml If it exceeds / min, no further effect is seen, and in the case of the heat treatment time, it varies depending on the oxygen supply amount, the heat treatment temperature, the support surface area, etc., and generally takes about 1 to 10 hours.
상기와 같은 본 발명 일체형 포토어노드의 제조 방법은, 도 4에 도시된 바와 같이, 지지체를 탈지처리하는 단계와; 1차 수세하는 단계와; 산세하는 단계와; 2차 수세하는 단계와; 산화 분위기 하에서 열처리하는 단계 또는, 양극 산화 후 열처리하는 단계 등의 순차적 공정들로 이루어지는 바, 탈지 단계에서는 지지체의 표면에 있는 기름이나 각종 오염물을 분리 제거하게 되고, 1차 수세 단계에서는 지지체의 표면에 잔류하는 분리 오염물 및 탈지제 등을 씻어내게 되며, 산세 단계에서는 지지체 표면에 기생성된 산화물층을 제거하게 된다.As described above, the method of manufacturing the integrated photoanode of the present invention includes the steps of: degreasing the support; First washing with water; Pickling; Washing with water secondly; It consists of sequential processes such as heat treatment in an oxidizing atmosphere, or heat treatment after anodizing. In the degreasing step, oil and various contaminants on the surface of the support are separated and removed, and in the first washing step, the surface of the support is removed. The remaining separation contaminants and degreasing agents are washed away, and the pickling step removes the parasitic oxide layer on the surface of the support.
그리고, 2차 수세 단계에서 지지체의 표면에 잔류하는 분리 산화물과 산 등을 제거한 후 열처리 단계 또는 양극 산화 과정에서 적절한 산화물층을 형성시키게 된다.In addition, after removing the separated oxide and the acid remaining on the surface of the support in the second washing step to form an appropriate oxide layer in the heat treatment step or anodization process.
이때, 상기 탈지처리 및 수세 단계는, 소재 표면에 붙어있는 유지나 기타의 오염 물질 제거를 위한 공정으로서, 탈지는 일반 세제를 이용하여 이루어질 수도 있으며, 증기 탈지나 용제 또는 알카리 세정 등 그 외의 다양한 방법으로 실시될 수도 있고, 스케일이 견고한 경우, 산세 전에 샌드 블라스팅(sand blasting)이나 염욕 처리 등을 실시할 수도 있다.At this time, the degreasing treatment and washing step is a process for removing oils and other contaminants adhering to the surface of the material, and degreasing may be performed by using a general detergent, and various other methods such as steam degreasing or solvent or alkali cleaning. If the scale is solid, sand blasting or dye bath treatment may be performed before pickling.
그리고, 상기 양극 산화 후에 실시되는 열처리는, 양극 산화에 의해 형성된 무정형의 산화물층을 아나타제로 결정화하기 위한 과정으로서, 열처리 온도가 350℃에 미치지 못하면 아나타제 구조로의 결정화가 어려우며, 450℃를 초과하는 경우에는 루타일 구조가 생성될 수 있다.The heat treatment performed after the anodic oxidation is a process for crystallizing the amorphous oxide layer formed by the anodic oxidation with anatase. If the heat treatment temperature is less than 350 ° C., crystallization to the anatase structure is difficult and the temperature exceeds 450 ° C. In this case, a rutile structure may be generated.
또한, 열처리 전의 양극 산화 단계에서 양 전극(31)(33)에 인가되는 전압은 15∼35V 범위로 하는 것이 적합한데, 전압이 15V에 미치지 못하면 산화물의 생성이 불규칙해지고, 35V를 초과하게 되면 산화물층의 탈리가 초래되기 때문이며, 양극 산화에 소요되는 시간은 대략 2∼3시간 이하이다.In addition, the voltage applied to the
이때, 상기 양극 산화를 위한 전해질은, 인산 100중량부에 대하여 불화소다 와 질산나트륨을 각각 13∼15중량부씩 혼합한 것으로, 불화소다의 함량이 13중량부에 미치지 못하면 튜브형 산화막이 형성될 수 있으나 15중량부를 초과하면 불균한 형태로 변형되고, 질산나트륨의 경우에는 그 함량이 13중량부에 미치지 못하면 가시광 감응은 일어날 수 있으나 15중량부를 초과하면 생성된 전하쌍의 재결합이 촉진되어 효율이 저하될 수 있다.At this time, the electrolyte for the anodic oxidation, 13 to 15 parts by weight of sodium fluoride and sodium nitrate each mixed with respect to 100 parts by weight of phosphoric acid, if the content of the sodium fluoride is less than 13 parts by weight may form a tubular oxide film If it exceeds 15 parts by weight, it is transformed into an uneven form, and in the case of sodium nitrate, if the content is less than 13 parts by weight, visible light response may occur, but if it exceeds 15 parts by weight, recombination of the generated charge pairs may be promoted to decrease efficiency. Can be.
상기와 같은 과정에 의해 적정한 광감응 능력을 보유한 산화물층을 티타늄 표면에 생성시킬 수가 있는 바, 지지체인 티타늄 표면에 형성된 산화물층은 태양광이나 자외선 또는 일부 가시광선을 받아 전자를 발생시키는 역할을 하게 된다.According to the above process, an oxide layer having proper photoresist ability can be generated on the surface of titanium, and the oxide layer formed on the surface of titanium, which is a support, serves to generate electrons by receiving sunlight, ultraviolet light, or some visible light. do.
이때, 상기 2차 산세를 실시한 경우, 전자현미경으로 관찰한 결과, 1차 산세만 실시되었거나 양극 산화된 경우와 비교하여 차이가 없었다.In this case, when the second pickling was performed, the result of observing with an electron microscope showed no difference as compared with the case where only the first pickling was performed or anodized.
그리고, 양극 산화에 사용된 전해질로서의 불화소다는, 튜브 형태의 티타니아 구조를 제조하기 위하여 필요로 되는 불소 이온을 공급하기 위한 것이다.Then, the sodium fluoride as the electrolyte used for the anodic oxidation is for supplying the fluorine ions required for producing the titania structure in the form of a tube.
또한, 인산염과 나트륨염은, 양극 산화에 의해 지지체의 표면에 형성되는 티타니아에 흡착되는데, 열처리 시, 산소와 교환됨으로써 가시광 영역의 감응을 유발할 수 있는 산소 공백(oxygen vacancy)을 형성시키는 동시에, 티타니아 구조에 대하여 질소나 인 성분의 도핑 효과를 얻기 위함이다.In addition, the phosphate and sodium salts are adsorbed to titania formed on the surface of the support by anodic oxidation. At the time of heat treatment, the phosphate and sodium salts form oxygen vacancies that can be reacted with oxygen to induce visible light regions. This is to obtain a doping effect of nitrogen or phosphorus on the structure.
즉, 티타니아 전도띠 보다 0.75∼1.18eV 아래에 위치하여 결국 약 614nm의 파장을 갖는 가시광 영역에서부터 광흡수를 유발하는 산소 공백과, 질소나 인 성분의 도핑에 의해 티타니아 구조의 띠간격에너지 안에 새로운 띠간격에너지를 형성시킴으로써, 가시광의 감응을 유발하게 된다.In other words, the oxygen band which is located below 0.75 to 1.18 eV than the titania conduction band and eventually causes light absorption from the visible light region having a wavelength of about 614 nm, and a new band within the band gap energy of the titania structure by doping with nitrogen or phosphorus component By forming the spacing energy, a response of visible light is caused.
금속과 반도체 산화물 사이에 생성된 쇼트키 장벽은, 두 물질이 접촉하는 경우 페르미에너지준위가 평형이 될 때 생성되는데, 산화물이 빛을 받을 때 산화물 전도띠의 전자가 낮은 위치의 평형 준위 측으로 이동하게 되고, 평형 준위 측으로 이동한 전자가 기생성된 전하쌍의 재결합을 방지함으로써 광촉매의 사용 효율을 높이게 된다.The Schottky barrier created between the metal and the semiconductor oxide is created when the Fermi energy level is in equilibrium when the two materials come in contact, causing electrons in the oxide conduction band to move to the lower equilibrium level when the oxide is illuminated. As a result, the efficiency of use of the photocatalyst is increased by preventing recombination of parasitic charge pairs.
그리고, 광촉매의 경우 그 종류가 한정되지는 않으나, 가격, 성능 등의 측면에서 볼 때, 현재로는, 아나타제 구조의 티타니아가 가장 바람직하며, 질소 치환 등의 영향에 의해 흡수되는 태양광 스펙트럼 영역이 증대되어 전하쌍 밀도가 증가하게 되는 동시에, 궁극적으로는 광촉매의 효율이 향상된다.In the case of a photocatalyst, the kind is not limited, but from the viewpoint of price and performance, at present, titania having an anatase structure is most preferred, and a solar spectral region absorbed by nitrogen substitution or the like is The increase in charge pair density results in an increase in the efficiency of the photocatalyst.
상기와 같이 이루어진 본 발명 방법에 의해 제조된 일체형 포토어노드를 이용하여 광활성 여부 조사 연구에 널리 사용되는 염료의 일종인 메틸렌 블루(methylene blue) 염료를 분해하였는 바, 그 작용 효과에 대하여 다음의 실시예를 통하여 살펴보기로 한다.The methylene blue dye, which is a kind of dye widely used in the photoactivity investigation study, was decomposed using the integrated photoanode prepared by the method of the present invention as described above. Let's look at an example.
실시예 1Example 1
면적이 4cm2(2cm×2cm)인 0.5mm 두께의 티타늄판을 사용하여 일체형 포토어노드 시료를 제조하였는 바, 제조 조건은 다음의 표 1과 같다.An integrated photoanode sample was prepared using a 0.5 mm thick titanium plate having an area of 4 cm 2 (2 cm × 2 cm). The preparation conditions are shown in Table 1 below.
* 상기 표 1에서 '숫자'는 '시료 번호'임.* 'Number' in Table 1 is 'sample number'.
* 번호 3 내지 12의 경우 세제 세척 및 5% HF 산세가 실시됨.* Detergent wash and 5% HF pickling for numbers 3-12.
* 20V, 30V ; 양극 산화에 인가된 전압.20V, 30V; Voltage applied to anodic oxidation.
상기 표 1의 12개 시료들 각각에 대하여 자외선/가시광선 영역에서의 흡광 스펙트럼(UV/Vis 분광기), 표면 형태(주사전자현미경), 성분 분석(에너지분산 분광기) 및 결정구조(X선 회절분석기) 등을 분석 비교하였다.Absorption spectra (UV / Vis spectroscopy), surface morphology (scanning electron microscope), component analysis (energy dispersion spectroscopy), and crystal structure (X-ray diffractometer) in the ultraviolet / visible region for each of the 12 samples of Table 1 above. ) And the like.
제조된 시료들 중 대표적인 시료인 시료 1, 5 및 6과 전형적인 티타니아 광촉매인 데구사 P25 제품의 파장별 흡광도를 비교해 보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 세척만 하였을 경우 400∼500nm 영역에서 Ti 금속에 의해 약간의 흡수를 보여주던 티타늄판이 양극 산화와 열처리를 거치면서 높은 가시광선 영역의 흡수를 보여주고 있으며, 다소 전이된 자외선 영역의 흡수도 일어남을 알 수 있다.When comparing the absorbance of each sample of
또한, X선 회절분석기를 이용하여 각 시료들 내 티타니아의 결정구조 분석을 실시하였는 바, 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이, 1∼5번의 시료는, 회절각 2θ가 25.2°부근에서 나오는 아나타제의 결정구조 피크가 나오지 않는 반면, 6∼12번 시료의 경우, 일부 양의 차이는 있으나, 아나타제의 특성 피크가 분명히 나옴을 확인할 수 있었다.In addition, the crystal structure of titania in each sample was analyzed using an X-ray diffractometer. As shown in FIGS. 6 to 8,
그리고, 주사현미경을 사용하여 시료들의 표면 형상을 확인하였으며, 각 시료의 표면에 대한 주사현미경 이미지 사진을 도 9 내지 22에 나타내었는 바, 세척만 실시하였거나 세척 후 산세까지 실시한 시료 1, 2의 경우 매끈한 표면이 관찰되었으며, 대기 산화된 시료 3에서는 100nm 정도 크기의 타원형 그레인들이 생성되었음을 확인할 수 있었고, 양극 산화 후 열처리 한 시료 4의 경우에는 원형 그레인의 크기가 10nm 부근대까지 작아졌음을 알 수 있다.In addition, the surface shape of the samples was confirmed by using a scanning microscope, and the scanning microscope image photographs of the surfaces of each sample are shown in FIGS. 9 to 22. In the case of
시료 4까지는 불화소다가 사용되지 않았기 때문에 박막의 티타니아 층이 형성된 것으로 보이며, 시료 5 내지 8의 경우에는 직경 80∼100nm, 길이 600∼700nm의 튜브가 생성되었고, 시료 5를 제외하고는 아나타제 구조의 티타니아가 생성됨이 확인되었다.Since no fluoride was used until
시료 9 내지 12의 경우 양극 산화 전압이 30V로서, 튜브 형태가 많이 손상되거나, 처리 온도가 높은 경우 기공이 없어진 두꺼운 박막 형태로 형성되었으며, 시료 9를 제외하고는 아나타제 구조의 티타니아가 생성됨을 확인할 수 있엇다.In the case of
상기의 결과로 볼 때, 박막의 형태는 양극 산화 전압이 중요한 역할을 하며, 아나타제 결정구조의 생성은 열처리 온도 및 시간이 중요한 변수로 작용함을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the anodization voltage plays an important role in the morphology of the thin film, and the formation of the anatase crystal structure is an important variable for the heat treatment temperature and time.
또한, 시료들의 티타니아, 산소의 질량 조성, 산소/티타니아 원소 조성 비율 등을 살펴보면 산화물층이 형성되어 가는 과정을 확인할 수 있는데, 도 23에 도시된 바와 같이, 시료 1에서 12로 갈수록 티타니아의 질량비는 감소하고, 산소의 질량비는 증가하는 바, 산소와 티타니아의 원소 조성 비율(atomic O/Ti)이 2(TiO2의 구성 원소간 원자 비율은 O/Ti=2)에 근접해감을 확인할 수 있다.In addition, when looking at the titania, the mass composition of oxygen, and the oxygen / titania element composition ratio of the samples, the process of forming an oxide layer can be confirmed. As shown in FIG. 23, the mass ratio of titania is increased from
시료 12의 경우, 상대적인 가혹 조건에 의해 박막 두께가 약 2.2㎛로서, 산소/티타니아 비율이 거의 2로 계산되었는 바, 이를 감안하면, X선 회절분석기의 분석 가능 깊이가 약 2㎛임을 추정할 수 있으며, 상대적으로, 생성된 산화물층의 두께가 1㎛ 이하인 다른 시료들의 경우 티타늄 지지체가 X선 회절측정에 포함되기 때문에 산소와 티타니아 원소의 조성 비율이 1을 다소 상회하는 것으로 계산되었으나, 튜브 또는 박막 산화물층의 산소와 티타니아 원소의 조성 비율은 2에 근접할 것으로 생각된다.In the case of
실시예 2Example 2
태양광과 유사한 스펙트럼을 가진 쏠라 시뮬레이터 광원을 사용하여 제조된 시료들에 빛을 조사하였으며, 메틸렌 블루 수용액이 각 시료에 의해 광분해되는 상태를 조사하였는 바, 그 특성을 도 24에 도시하였다.Light was irradiated to samples prepared using a solar simulator light source having a spectrum similar to sunlight, and a state in which methylene blue aqueous solution was photoly decomposed by each sample was investigated.
약 278mL(내경 6.34cm, 높이 8.8cm)의 내용적을 갖는 반응기에 메틸렌 블루 10ppm을 함유한 수용액 200mL를 넣고, 수용액 표면 아래 0.5cm되는 곳에 2cm×2cm 크기로 제조된 판상의 시료를 위치시킨 후 쏠라 시뮬레이터를 이용하여 시료에 빛을 조사하였으며, 일정한 시간 간격으로 메틸렌 블루의 주요 특성 파장 피크인 661nm의 흡수율을 관찰하였는 바, 흡수율의 감소 경향을 확인할 수 있었다.200 mL of aqueous solution containing 10 ppm of methylene blue was placed in a reactor having a volume of about 278 mL (inner diameter 6.34 cm and height 8.8 cm), and the plate-shaped sample prepared in the size of 2 cm x 2 cm was placed at 0.5 cm below the surface of the aqueous solution, and then shot. The light was irradiated to the sample using a simulator, and the absorption rate of 661 nm, which is the main characteristic wavelength peak of methylene blue, was observed at regular time intervals.
즉, 도 24에서 알 수 있듯이, 1차 반응 경향을 가진 일반적 상용 광촉매인 P25와 비교하여, 시료는 낮은 활성 즉, '0'차반응 경향을 가지고 있는데, 이는 다음과 같이 설명될 수 있다.That is, as can be seen in Figure 24, compared with the general commercial photocatalyst P25 having a first-order reaction, the sample has a low activity, that is, the '0' order of reaction, which can be described as follows.
사용된 P25 파우더 광촉매 0.2g과 비교하기 위하여, TiO2 박막 두께를 1∼2㎛, TiO2의 밀도를 3.9g/cm3로 하여 면적이 4㎠인 시료의 표면에 형성된 TiO2의 양을 계산해 보면,In order to compare with 0.2g of P25 powder photocatalyst used, the amount of TiO 2 formed on the surface of the sample having an area of 4 cm 2 with TiO 2 thin film thickness of 1 to 2 μm and TiO 2 density of 3.9 g / cm 3 was calculated. If you look,
(제조된 플레이트 표면의 TiO2의 양)(Amount of TiO 2 on the plate surface produced)
= (4×10-4m2)×{1(또는, 2)×10-6m}×(3.9×106 g/m3)= (4 × 10 -4 m 2 ) × {1 (or 2) × 10 -6 m} × (3.9 × 10 6 g / m 3 )
= (15.6∼31.2)×10-4 g= (15.6-31.2) x 10 -4 g
= (1.6∼3.1)mg= (1.6-3.1) mg
이 된다.Becomes
즉, 시료의 경우, 실제 사용된 P25 양보다 약 1/100 수준임을 예측할 수 있다.That is, it can be estimated that the sample is about 1/100 of the amount of P25 actually used.
또한, 상기와 같은 상대적 양의 차이를 확인한 후, 광촉매 반응이 아래의 식 1과 같은 랭뮤어-힌셀우드(Langmuir-Hinshelwood) 반응식을 따른다고 할 때, 기질의 농도가 낮으면 즉, P25 0.2g을 사용한 경우에는 KC《1 이기 때문에 r=kC가 되기 때문에 반응속도가 농도에 대하여 1차가 되고, 농도가 높으면 즉, 시료를 사용한 경우에는 r=k가 되기 때문에 농도에 대하여 '0'차가 됨이 설명될 수 있다.In addition, after confirming the difference of the relative amount as described above, when the photocatalytic reaction follows the Langmuir-Hinshelwood reaction formula as shown in
여기서, r은 반응속도, k는 속도상수, C는 기질의 농도이다.Where r is the reaction rate, k is the rate constant, and C is the concentration of the substrate.
쏠라 시뮬레이터만 조사하여 광분해를 할 경우 메틸렌 블루의 농도는 거의 변화가 없는 바, 자연적인 광분해는 일어나지 않는 것으로 확인되었으며, P25의 경우 0.2g/200mL을 투입하게 되면 1시간 정도 안에 메틸렌 블루의 특성 주피크 (661nm)가 사라짐을 확인할 수 있었다.When the photolysis was performed only by the solar simulator, the concentration of methylene blue was almost unchanged. Therefore, the photolysis did not occur naturally.In the case of P25, 0.2 g / 200 mL of the methylene blue had a characteristic characteristic of about 1 hour. It was confirmed that the peak (661 nm) disappeared.
제조된 시료들의 경우에는 거의 공통적으로 4시간 동안 약 30%가 제거되었으며, 시료를 네 장 사용하여 분해하였을 때는 3시간에 40%가 분해되었는 바, 이는, 시료 내의 광촉매 양에 비하여 기질의 농도(메틸렌 블루의 농도)가 커서 '0'차 반응식을 따르기 때문이며, 농도가 낮은 극미량의 유해 물질 분해에는 1차 반응식을 따르게 되기 때문에 빠른 분해 경향 속도를 보일 수 있게 되는데, 이를 확인하기 위하여 실시된 실험 결과를 도 25에 도시하였다.In the case of the prepared samples, about 30% of the samples were removed for 4 hours, and 40% of the samples were decomposed in 3 hours when the samples were decomposed using four samples. The concentration of methylene blue) is large and follows the '0' equation, and the decomposition of the trace amount of harmful substances with low concentration is followed by the first reaction equation, and thus the rapid decomposition tendency can be shown. Is shown in FIG. 25.
상기의 도 25로부터, 동일한 농도의 메틸렌 블루를 분해할 때 투입되는 P25의 양이 작아질수록 "0"차 반응 경향이 나타남을 확인할 수 있다.25, it can be seen that the smaller the amount of P25 introduced when decomposing methylene blue at the same concentration, the "0" order reaction tendency appears.
이상에 살펴본 바와 같이, 본 발명 방법으로 제조된 일체형 포토어노드는, 입자 또는 콜로이드 형태의 종래 광촉매 물질이 가지고 있는 활용성 제한이나 제조상의 어려움을 해결할 수 있음은 물론, 광감응력을 활용한 환경 정화 및 에너지 전환 능력은 그대로 유지되기 때문에 그 활용성을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로는, 광을 활용하여 전자/정공을 이용하는 전기화학적 포토어노드 또는 단독적인 셀분리형 양음극 전극, 환경 응용 재료 등으로 활용이 가능한 장점이 있다.As described above, the integrated photoanode manufactured by the method of the present invention can solve the limitation of utilization and manufacturing difficulties of the conventional photocatalytic material in the form of particles or colloids, as well as purifying the environment using photo-stress. And energy conversion capacity is maintained as it is, not only to maximize its utilization, but also ultimately, electrochemical photoanode or electron-hole photovoltaic or independent cell-type positive electrode, environmental application material There is an advantage that can be utilized as such.
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-
2007
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