KR101290956B1 - Synthesis of TiO2 nanorod-decorated graphene sheets to visible light photocatalyst - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 제조와 가시광에 반응하는 광촉매로서의 응용에 관한 것으로, 비가수분해 졸-겔 반응을 통하여 산화 그래핀 층위에 이산화티타늄 나노로드를 성장시키는 방법을 제공하며, 광촉매로 이용 하였을 경우 가시광 하에서 높은 효율을 나타내므로 차세대 광촉매로의 응용 가능성을 제시하였다.
본 발명에 따르면, 올레일 아민 용액에 분산된 산화 그래핀에 이산화티타늄전구체의 도입은 비가수분해 졸-겔 반응을 유도하며, 추가적인 과정 없이 공정상 간편하게 이산화티타늄 나노로드와 그래핀 시트가 결합할 수 있는 장점을 가진다. 더욱이, 이산화티타늄 전구체의 농도를 바꿈으로써 그래핀 시트 위의 이산화티타늄 밀도를 용이하게 조절할 수 있다. 이렇게 제조된 균일한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트는 가시광선 하의 광촉매 작용에서도 상업화된 이산화티타늄 입자보다 우수한 성능을 보였다.The present invention relates to the production of a graphene sheet bonded with titanium dioxide nanorods and its application as a photocatalyst reacting to visible light, and a method for growing titanium dioxide nanorods on a graphene oxide layer through a non-hydrolyzed sol-gel reaction. When used as a photocatalyst, it shows high efficiency under visible light, thus suggesting the possibility of application as a next-generation photocatalyst.
According to the present invention, the introduction of the titanium dioxide precursor to the graphene oxide dispersed in the oleyl amine solution induces a non-hydrolyzed sol-gel reaction, and the titanium dioxide nanorods and the graphene sheet can be easily combined in the process without further processing. Has the advantage. Moreover, the titanium dioxide density on the graphene sheet can be easily controlled by changing the concentration of the titanium dioxide precursor. The graphene sheet combined with the uniform titanium dioxide nanorods thus prepared showed better performance than commercialized titanium dioxide particles even in photocatalytic action under visible light.
Description
본 발명은 비가수분해 졸-겔 반응 (non-hydrolytic sol-gel method) 을 이용하여, 이산화티타늄(TiO2) 나노로드(Nanorod)가 결합된 그래핀시트를 제조하는 방법과 가시광에 반응하는 광촉매로의 응용에 관한 것으로서, 산화 그래핀(graphene oxide) 시트 위에서 이산화티타늄의 합성반응을 통하여, 분산성이 우수한 이산화티타늄이 결합된 그래핀시트를 제조하는 방법을 제시하여 가시광선 하에서 높은 효율을 가지는 광촉매를 제공한다.The present invention uses a non-hydrolytic sol-gel method (non-hydrolytic sol-gel method), a method for producing a graphene sheet bonded with titanium dioxide (TiO 2 ) Nanorod (photocatalyst) and a photocatalyst reacting to visible light The present invention relates to a method for preparing a graphene sheet with titanium dioxide having excellent dispersibility through a synthesis reaction of titanium dioxide on a graphene oxide sheet and having high efficiency under visible light. Provide a photocatalyst.
나노 물질이란 일반적으로 1에서 100 나노미터 사이의 크기를 가지는 물질을 가리키며, 넓은 표면적으로 인하여 기존의 벌크 물질에 비해서 우수한 물성을 가지게 된다. 그 중 이산화티타늄 나노입자는 높은 효율의 광활성, 낮은 가격, 무독성, 화학적 안정성 등으로 인하여 광촉매로서 응용분야에 적용되고 있다. Nanomaterial generally refers to a material having a size between 1 and 100 nanometers, and has a superior physical properties compared to conventional bulk materials due to the large surface area. Among them, titanium dioxide nanoparticles have been applied to applications as photocatalysts due to high efficiency of photoactivity, low cost, non-toxicity, and chemical stability.
또한, 그래핀은 sp2 결합의 카본으로 이루어진 원자두께의 카본 시트이며, 현재 다음과 같은 장점으로 인하여, 이산화티타늄과의 복합재료 물질로서 각광을 받고 있다. 첫번째로, 그래핀의 높은 전기전도도는 전하의 분리와 이동을 용이하게 하여 전하의 재결합을 억제하는데 유리하다. 두번째, 이차원 평면구조의 그래핀은 큰 표면적을 만들어 반응성을 증가시킨다. 세번째, 카본 도핑에 의한 에너지 밴드갭의 용이한 조절 때문에 가시광 영역으로 빛의 흡수 영역을 증가시킨다. 마지막으로, 이러한 그래핀은 오염물질 분자의 방향족과 강한 파이-파이 (п-п) 결합을 가지고 있기 때문에 오염물질에 대한 강한 흡착력을 가진다. In addition, graphene is an atomic-thick carbon sheet made of sp 2 bond carbon, and is currently in the spotlight as a composite material with titanium dioxide due to the following advantages. First, the high electrical conductivity of graphene facilitates the separation and transfer of charges, which is advantageous for suppressing charge recombination. Second, two-dimensional planar graphene creates a large surface area and increases reactivity. Third, because of the easy adjustment of the energy bandgap by carbon doping, the absorption region of light is increased to the visible region. Finally, these graphenes have strong adsorption to contaminants because they have strong pi-pie bonds with aromatics of pollutant molecules.
이러한 기존의 이산화티타늄/그래핀 복합재료의 제조방법으로는, 수열합성 (Hydrothermal) 방법, 두 용매의 계면에서 반응하는 이상방법 (Two phase method), 산화 그래핀(graphene oxide)를 이산화티타늄에서 생긴 전자로 환원하는 자외선 환원방법(UV-reduction method), 계면활성제를 이용한 자기조립방법 등이 있다. 일반적으로 높은 열과 압력을 통하여 이산화티타늄과 그래핀의 결합을 유도하는 수열합성 방법이 가장 널리 사용되고 있는 제조 방법이라 할 수 있다. As a conventional method for preparing a titanium dioxide / graphene composite material, a hydrothermal method, a two phase method of reacting at the interface of two solvents, and graphene oxide are obtained from titanium dioxide. UV-reduction method for reducing electrons (self-assembly method using a surfactant) and the like. In general, a hydrothermal synthesis method of inducing a bond between titanium dioxide and graphene through high heat and pressure may be referred to as a manufacturing method most widely used.
그러나, 이러한 수열합성 방법을 통한 이산화티타늄/그래핀 복합재료의 제조는 이산화티타늄 전구체의 높은 반응성으로 인하여 나노입자 제조가 용이하지 않으며, 제조된 이산화 티타늄이 균일한 크기를 갖지 못하고, 개별적인 나노입자의 형태를 지니기보다는 나노입자들간의 엉김 현상이 일어나 집합체를 이루게 된다는 단점이 있다. 또한, 이산화티타늄과 그래핀 시트와의 결합이 균일하지 못하여 한정된 그래핀 시트 영역에서만 결합을 가지기 때문에 생성된 전하의 효율적인 이동에 한계가 있다. However, the production of the titanium dioxide / graphene composite material through such a hydrothermal synthesis method is not easy to manufacture nanoparticles due to the high reactivity of the titanium dioxide precursor, the prepared titanium dioxide does not have a uniform size, Rather than having a shape, the entanglement between nanoparticles occurs to form an aggregate. In addition, since the bond between the titanium dioxide and the graphene sheet is not uniform, it has a bond only in the limited graphene sheet region, thereby limiting the efficient transfer of generated charges.
따라서 고효율의 광촉매 활동을 보이며, 이산화티타늄의 크기가 100 나노미터 이하의 균일한 크기를 가지며, 그래핀 시트 전 영역에서의 결합이 있고, 실험 방법이 간단하고, 신뢰성이 있는 이산화티타니늄/그래핀 나노복합재료 제조방법이 강력히 요구되고 있다.Therefore, it exhibits high efficiency photocatalytic activity, has a uniform size of titanium dioxide less than 100 nanometers, bonds over the entire graphene sheet, simple experimental method, and reliable titanium dioxide / graph There is a strong demand for a method for producing fin nanocomposites.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점을 일거에 해결하고자 비가수분해 졸-겔 반응을 이용하여, 산화 그래핀 시트 위에서 이산화티타늄 나노 물질을 성장시켜, 균일한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to grow a titanium dioxide nanomaterial on a graphene oxide sheet using a non-hydrolyzed sol-gel reaction to solve the problems of the prior art at once, graphene combined with a uniform titanium dioxide nanorods It is to provide a method for producing a sheet.
또한 본 발명의 또 따른 기술적 과제는 상기 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀시트는 종래의 기술에 따른 광촉매 입자에 비해 높은 공정성을 가지며 가시광선 하에서 우수한 광촉매 효율을 가지는 이산화티타늄/그래핀 복합재료를 제공하는 데 있다. In addition, the technical problem of the present invention is that the graphene sheet combined with the titanium dioxide nanorods is a titanium dioxide / graphene composite material having a high processability and excellent photocatalytic efficiency under visible light compared to the photocatalyst particles according to the prior art To provide.
본 발명자들은 수많은 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이제껏 알려진 방법과는 다르게 올레일아민(oleyl amine)에 분산된 산화 그래핀에 타이타늄 클로라이드(TiCl4)을 도입하여, 산화 그래핀 시트 위에서 이산화티타늄을 성장시킨 후 높은 온도에서 결정화 단계를 거쳐 이산화티타늄/그래핀 복합재료가 제조됨을 확인하고 제조된 물질이 기존에 사용되는 광촉매 입자에 비하여 가시광선 하에서 광촉매 효율이 현저히 향상된 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.After numerous experiments and in-depth studies, the inventors have introduced titanium chloride (TiCl 4 ) into graphene oxide dispersed in oleyl amine, which is different from the known methods. After growing titanium, it was confirmed that the titanium dioxide / graphene composite material was prepared through a crystallization step at a high temperature, and that the produced material was found to significantly improve the photocatalytic efficiency under visible light as compared to the photocatalytic particles used in the present invention. It came.
본 발명은 비가수분해 졸-겔 방법을 이용하여 이산화티타늄 나노로드를 산화 그래핀 시트 위에 성장시켜 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트를 제조하는 것을 내용으로 한다. The present invention is to produce a graphene sheet in which titanium dioxide nanorods are bonded by growing titanium dioxide nanorods on a graphene oxide sheet using a non-hydrolyzed sol-gel method.
본 발명에 따른 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 제조 방법은Method for producing a graphene sheet with titanium dioxide nanorods according to the present invention is
(A) 산화흑연을 초음파 발생기를 이용하여 올레일아민에 분산시켜 올레일아민에 분산된 산화 그래핀 용액을 제조하는 단계;(A) dispersing graphite oxide in oleylamine using an ultrasonic generator to prepare a graphene oxide solution dispersed in oleylamine;
(B) 상기 올레일아민에 분산된 산화 그래핀 용액에 이산화티타늄 전구체인 타이타늄 클로라이드를 첨가하여 나노로드 형태의 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀 시트를 제조하는 단계; 및,(B) preparing a graphene oxide sheet in which titanium dioxide in the form of nanorods is combined by adding titanium chloride, a titanium dioxide precursor, to the graphene oxide solution dispersed in the oleylamine; And
(C) 상기 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화 그래핀 시트를 건조 후, 열처리하여 이산화티타늄의 결정성과 산화 그래핀 시트의 환원(reduction)을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 제조방법.(C) the titanium dioxide nanorods comprising the step of drying the graphene oxide sheet combined with the titanium dioxide nanorods, followed by heat treatment to induce crystallinity of titanium dioxide and reduction of the graphene oxide sheet. Method for producing a bonded graphene sheet.
본 발명에 따른 비가수분해 졸-겔 방법을 이용하여 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 제조방법은 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로서, 종래의 방법에서 야기되던 이산화티타늄과 그래핀과의 한정된 영역에서 결합 문제를 현저하게 줄이며, 도입되는 이산화티타늄 전구체의 농도변화를 통해서 그래핀 시트위의 이산화티타늄 함량을 용이하게 조절할 수 있다. 또한 간편한 제조 방법을 통해서 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트를 대량 생산할 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 제조된 균일한 이산화티타늄이 결합된 그래핀 시트는 가시광선 하의 광촉매 작용에서도 상업화된 이산화티타늄 입자보다 우수한 성능을 보였으며, 향후 산업계에 있어서 사용되는 고효율의 차세대 광촉매로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.Using a non-hydrolyzed sol-gel method according to the present invention, a method for producing a graphene sheet in which titanium dioxide nanorods are combined is a completely new method that has not been reported so far. Significantly reduce the bonding problem in the limited region of the, it is possible to easily control the titanium dioxide content on the graphene sheet by changing the concentration of the titanium dioxide precursor is introduced. In addition, it is possible to mass-produce graphene sheets combined with titanium dioxide nanorods through an easy manufacturing method. Thus prepared graphene sheet combined with titanium dioxide showed better performance than commercially available titanium dioxide particles in the photocatalytic action under visible light, and is expected to be used as a next-generation high-efficiency photocatalyst for industrial use. .
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 투과전자현미경 사진이며;
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 가시광선 하에서 시간에 따른 메틸렌블루 분해 결과를 상업화된 이산화티타늄 나노입자와 이산화티타늄 나노로드와 비교하여 나타낸 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 가시광선 하에서 시간에 따른 메틸렌블루 용액의 사진을 나타낸 결과이다.1 is a transmission electron microscope photograph of a graphene sheet bonded to titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 of the present invention;
Figure 2 shows the results of the decomposition of methylene blue over time under visible light of the titanium dioxide nanorods bonded graphene sheet prepared in Example 1 of the present invention compared with commercially available titanium dioxide nanoparticles and titanium dioxide nanorods to be.
Figure 3 is a result showing a photograph of a methylene blue solution with time under visible light of the titanium dioxide nanorods bonded graphene sheet prepared in Example 1 of the present invention.
단계 (A)에서 사용되는 산화흑연의 경우, 개선된 Hummers방법 (참고문헌 : Hummers W, Offeman R., "Preparation of graphite oxide", Jounal of the American Chemical Society, 80, 1958, 1339)을 이용하여 제조하였다. 흑연의 산처리를 위해서 황산과 질산의 혼합물을 이용하여 산화흑연을 제조하였으며, 산처리 시 수반되는 유해한 물질 및 효율적인 산처리를 위해서 질산나트륨 (sodium nitrate)과 염소산칼륨 (potassium chlorate) 을 섞은 혼합물을 함께 이용하였다.For graphite oxide used in step (A), using the improved Hummers method (Refer to Hummers W, Offeman R., "Preparation of graphite oxide", Jounal of the American Chemical Society, 80, 1958, 1339). Prepared. Graphite oxide was prepared using a mixture of sulfuric acid and nitric acid for acid treatment of graphite, and a mixture of sodium nitrate and potassium chlorate for efficient acid treatment. It was used together.
상기 제조된 산화 흑연을 올레일 아민에 넣어주었으며, 산화 흑연의 부가량은 올레일아민 100 중량부에 대하여 0.05 내지 1 중량부인 것이 바람직하다. The prepared graphite oxide was put in oleyl amine, and the amount of graphite oxide added is preferably 0.05 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of oleylamine.
상기 용액을 초음파발생기를 이용하여 올레일 아민 상에서 산화 흑연을 분산시킴으로 올레일 아민에 분산된 산화 그래핀 용액이 제조되었으며, 분산시킬 때의 온도는 특별히 제한적이지 않으나 1 내지 30 ℃의 온도에서 진행하며, 분산 시간은 2 내지 5 시간이 바람직하다.Graphite oxide solution dispersed in oleyl amine was prepared by dispersing graphite oxide on oleyl amine using an ultrasonic generator, and the temperature at the time of dispersion is not particularly limited but proceeds at a temperature of 1 to 30 ° C. The dispersion time is preferably 2 to 5 hours.
단계 (B)에서 제조된 산화그래핀 용액 30 mL을 100 mL 둥근플라스크 반응기 내에서 300 ℃의 온도로 가열한고, 타이타늄 클로라이드를 부가한다. 타이타늄 클로라이드의 부가량은 상기 방법으로 분산된 산화그래핀 용액 100 부피부에 대하여 1 내지 1.75 부피부인 것이 바람직하다. 비가수분해 졸-겔 반응시, 반응온도는 280 내지 320 ℃인 것이 바람직하며, 온도가 280 ℃미만이며, 동시다발적인 핵 생성이 일어나지 않아 균일한 크기의 나노결정을 생성하기 어려우며, 320 ℃이상 이면, 올레일아민 용매의 기화가 발생하게 된다. 반응시간은 10 내지 60 분이 적절하며, 반응이 끝난 후 톨루엔을 넣어 급냉시킨다. 톨루엔의 양은 30 내지 100 ml가 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니다. 상기 반응용액에 100 ml 아세톤(Acetone)을 부가하고 10,000 RPM에서 1시간 원심분리를(centrifugation) 통하여 올레일아민을 제거하며, 상기 올레일아민 제거 과정을 3회 이상 반복한다.30 mL of the graphene oxide solution prepared in step (B) is heated to a temperature of 300 ° C. in a 100 mL round flask reactor and titanium chloride is added. The addition amount of titanium chloride is preferably 1 to 1.75 parts by volume relative to 100 parts by volume of the graphene oxide solution dispersed by the above method. In the non-hydrolyzable sol-gel reaction, the reaction temperature is preferably 280 to 320 ℃, the temperature is less than 280 ℃, it is difficult to produce nanocrystals of uniform size because the simultaneous nucleation does not occur, it is more than 320 ℃ In this case, vaporization of the oleylamine solvent occurs. The reaction time is appropriate for 10 to 60 minutes, after which the reaction is quenched with toluene. The amount of toluene is preferably 30 to 100 ml, but is not limited thereto. 100 ml of acetone is added to the reaction solution, and oleylamine is removed by centrifugation at 10,000 RPM for 1 hour, and the oleylamine removal process is repeated three or more times.
단계 (C)에서 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화 그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조 후 탄화로에서 열처리를 통하여 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원과정을 거친다. 열처리 조건은 300 ℃부터 800 ℃까지 30 내지 60분이 가능하며, 500 ℃에서 30 분이 바람직하다. 열처리 시간이 Graphene oxide combined with titanium dioxide nanorods in step (C) is dried in a vacuum oven at 25 ℃ through a heat treatment in a carbonization furnace undergoes crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide. Heat treatment conditions can be 30 to 60 minutes from 300 degreeC to 800 degreeC, and 30 minutes are preferable at 500 degreeC. Heat treatment time
[실시예][Example]
이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.
[실시예 1]Example 1
천연흑연 1g 과 질산나트륨 0.5g을 20mL 황산 용액에 넣고 냉각시키면서 과망간산칼륨(또는 염소산칼륨) 3g을 45분에 걸쳐 천천히 넣어준 후, 50ml 의 증류수를 천천히 넣어주고, 온도를 98℃ 까지 높이게 되면, 갈색의 색깔을 띄는 것을 확인할 수 있으며, 과산화수소를 넣어줌에 따라, 용액의 색깔이 황갈색으로 바뀌게 됨을 확인할 수 있었다. 그 후 반복적으로 원심 분리하여 상층액을 버리고 증류수로 씻어주고 최후로 물로 씻어주면 적갈색의 걸쭉한 산화 흑연 용액(약간 젤 상태)이 얻어지며, 진공 오븐 상에서 건조하게 되면 필름 형태의 산화 흑연을 얻을 수 있었다. 제조된 산화 흑연 0.2 g 을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1.2 nm 의 두께와 2 um 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.After adding 1 g of natural graphite and 0.5 g of sodium nitrate to a 20 mL sulfuric acid solution, and slowly adding 3 g of potassium permanganate (or potassium chlorate) over 45 minutes while cooling, slowly adding 50 ml of distilled water and raising the temperature to 98 ° C. It can be seen that the color is brown, and as the hydrogen peroxide was added, the color of the solution was changed to yellowish brown. After repeated centrifugation, the supernatant was discarded, washed with distilled water, and finally rinsed with water to give a reddish brown thick graphite oxide solution (slightly gelled), and when dried in a vacuum oven, graphite oxide in the form of a film was obtained. . 0.2 g of the prepared graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and analyzed using an atomic force microscope, and the thickness was about 1.2 nm. And it can be seen that the plate-shaped graphene having a width of 2 um size is formed.
[실시예 2][Example 2]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.02 g 을 올레일 아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1 nm 의 두께와 1~2 um 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.0.02 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleyl amine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1 nm and a width of 1 ~ 2 um size is formed.
[실시예 3][Example 3]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.05 g 을 올레일 아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1 nm 의 두께와 1~2 um 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.0.05 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleyl amine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleyl amine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1 nm and a width of 1 ~ 2 um size is formed.
[실시예 4]Example 4
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.1 g 을 올레일 아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1 nm 의 두께와 1~2 um 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.0.1 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleyl amine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleyl amine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1 nm and a width of 1 ~ 2 um size is formed.
[실시예 5][Example 5]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.4 g 을 올레일 아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 3 nm 의 두께와 1~2 um 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었으며, 산화 흑연의 양이 0.4 g이상 증가할 경우, 산화흑연의 분산이 제대로 이루어 지지 않음을 확인할 수 있었다.0.4 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleyl amine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that plate-shaped graphene having a thickness of about 3 nm and a width of 1 to 2 um was formed. When the amount of graphite oxide increased by more than 0.4 g, graphite oxide was not properly dispersed. Could be confirmed.
[실시예 6][Example 6]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40ml에 넣은 후, 2시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1.8 nm의 두께와 3 μm 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다. 초음파 분쇄 시간이 2시간 이하일 경우, 산화 그래핀의 분산이 제대로 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 2 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1.8 nm and a width of 3 μm was formed. When the ultrasonic grinding time is less than 2 hours, it was confirmed that the dispersion of the graphene oxide is not properly made.
[실시예 7][Example 7]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40ml에 넣은 후, 4.5 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1.5 nm의 두께와 5 μm 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다. 초음파 분쇄 시간이 5시간 이상일 경우, 산화 그래핀의 분산 정도가 오히려 떨어지게 됨을 확인할 수 있었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 4.5 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1.5 nm and a width of 5 μm was formed. When the ultrasonic grinding time is more than 5 hours, it was confirmed that the dispersion of graphene oxide is rather reduced.
[실시예 8][Example 8]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40ml에 넣은 후, 5 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였으며, 원자탐침현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 1.2 nm의 두께와 5 μm 크기의 너비를 갖는 판상 형태의 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다. 초음파 분쇄 시간이 5시간 이상일 경우, 산화 그래핀의 분산 정도가 오히려 떨어지게 됨을 확인할 수 있었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 5 hours, and analyzed using an atomic probe microscope. As a result, it was confirmed that the plate-shaped graphene having a thickness of about 1.2 nm and a width of 5 μm was formed. When the ultrasonic grinding time is more than 5 hours, it was confirmed that the dispersion of graphene oxide is rather reduced.
[실시예 9][Example 9]
실시예 1과 마찬가지 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였다. 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열한 상태에서, 타이타늄 클로라이드 0.4 ml를 넣고 300 ℃에서 10분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 그래핀 시트 위에 존재하는 이산화티타늄의 밀도는 약 300개/μm2 이었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours. Graphene oxide combined with titanium dioxide was prepared by adding 0.4 ml of titanium chloride and reacting at 300 ° C. for 10 minutes while the prepared solution was heated to 300 ° C. in a round flask, and analyzed using a transmission electron microscope. As a result, it was confirmed that the rod-shaped titanium dioxide having a diameter of about 4 nanometers and a length of 25 nanometers was formed on the graphene sheet, and the density of titanium dioxide on the graphene sheet was about 300 particles / μm 2 . .
[실시예 10][Example 10]
실시예 1과 마찬가지 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였다. 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열한 상태에서, 타이타늄 클로라이드 0.7 ml를 넣고 300 ℃에서 10분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 그래핀 시트 위에 존재하는 이산화티타늄의 밀도는 약 700개/μm2 이었다. 또한, 타이타늄 클로라이드의 부가량이 0.7 ml 이상 일 경우, 생성된 이산화티타늄의 크기가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours. Graphene oxide combined with titanium dioxide was prepared by adding 0.7 ml of titanium chloride and reacting at 300 ° C. for 10 minutes while the prepared solution was heated to 300 ° C. in a round flask, and analyzed using a transmission electron microscope. As a result, it was confirmed that the rod-shaped titanium dioxide having a diameter of about 4 nanometers and a length of 25 nanometers was formed on the graphene sheet, and the density of titanium dioxide on the graphene sheet was about 700 particles / μm 2 . . In addition, when the addition amount of titanium chloride is more than 0.7 ml, it was confirmed that the size of the produced titanium dioxide is greatly increased.
[실시예 11][Example 11]
실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여, 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였고, 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열하였다. 타이타늄 클로라이드 0.55 ml를 넣고 300 ℃에서 5분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트위에 형성된 것을 확인할 수 있었다. 반응시간이 5분 이내로 감소하면, 이산화티타늄 로드의 형태가 불균일하게 형성됨을 확인할 수 있었다.Using the same method as in Example 1, 0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine, and then graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and the prepared solution was used in a round flask. Heated to 300 deg. 0.55 ml of titanium chloride was added and reacted at 300 ° C. for 5 minutes to prepare titanium oxide-bonded graphene oxide, and analyzed using a transmission electron microscope. As a result, a diameter of about 4 nanometers and a length of 25 nanometers were obtained. It was confirmed that titanium dioxide in the form of a rod was formed on the graphene sheet. When the reaction time was reduced to within 5 minutes, it was confirmed that the form of the titanium dioxide rod was formed nonuniformly.
[실시예 12][Example 12]
실시예 1과 마찬가지 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였고, 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열하였다. 타이타늄 클로라이드 0.55 ml를 넣고 300 ℃에서 30분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었다. 0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and the prepared solution was placed in a round flask. Heated to 300 ° C. 0.55 ml of titanium chloride was added and reacted at 300 ° C. for 30 minutes to produce titanium oxide-bonded graphene oxide. A TEM was analyzed using a transmission electron microscope, and the diameter was about 4 nanometers and 25 nanometers in length. It was confirmed that the rod-shaped titanium dioxide was formed on the graphene sheet.
[실시예 13][Example 13]
실시예 1과 마찬가지 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였고, 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열하였다. 타이타늄 클로라이드 0.55 ml를 넣고 300 ℃에서 45분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었다.0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and the prepared solution was placed in a round flask. Heated to 300 ° C. Titanium dioxide-bonded graphene oxide was prepared by adding 0.55 ml of titanium chloride for 45 minutes at 300 ° C., and analyzed by transmission electron microscopy, and it had a diameter of about 4 nanometers and a length of 25 nanometers. It was confirmed that the rod-shaped titanium dioxide was formed on the graphene sheet, it was confirmed that formed on the graphene sheet.
[실시예 14][Example 14]
실시예 1과 마찬가지 방법을 이용하여 산화 흑연 0.2 g을 올레일아민 40 ml에 넣은 후, 3 시간 초음파 분쇄를 통해 올레일아민에 분산된 산화 그래핀을 제조하였고, 제조된 용액을 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열하였다. 타이타늄 클로라이드 0.55 ml를 넣고 300 ℃에서 60분 동안 반응하여 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀을 제조하였으며, 투과전자현미경을 사용하여 분석한 결과, 약 5 나노미터의 직경과 30 나노미터의 길이를 갖는 로드 형태의 이산화티타늄이 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 그래핀 시트 위에 형성된 것을 확인할 수 있었다. 반응시간이 60분 이상으로 증가하면, 형성된 이산화티타늄 나노로드의 크기가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 0.2 g of graphite oxide was added to 40 ml of oleylamine using the same method as in Example 1, and graphene oxide dispersed in oleylamine was prepared by ultrasonic grinding for 3 hours, and the prepared solution was placed in a round flask. Heated to 300 ° C. After adding 0.55 ml of titanium chloride and reacting at 300 ° C. for 60 minutes, titanium dioxide-bonded graphene oxide was prepared. As a result of analysis using a transmission electron microscope, a diameter of about 5 nanometers and a length of 30 nanometers were obtained. It was confirmed that the rod-shaped titanium dioxide was formed on the graphene sheet, it was confirmed that formed on the graphene sheet. When the reaction time increased to 60 minutes or more, it was confirmed that the size of the formed titanium dioxide nanorods increased significantly.
[실시예 15][Example 15]
실시예 1에서 제조한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조된 후 탄화로에서 500 ℃ 온도에서 15분 동안 열처리과정을 통하여, 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원을 수행하였다. X선-회절분석 (X-ray diffraction analysis) 결과, 500℃에서 15분 이하로 열처리하면 이산화티타늄의 결정성이 아나타제형(Anatase type)이 약하게 띄는 것을 확인할 수 있었다.Graphene oxide combined with titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 was dried in a vacuum oven at 25 ℃ and heat treatment for 15 minutes at 500 ℃ temperature in a carbonization furnace, crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide Was performed. As a result of X-ray diffraction analysis, when the heat treatment was performed at 500 ° C. for 15 minutes or less, it was confirmed that the crystallinity of titanium dioxide was weak in the anatase type.
[실시예 16][Example 16]
실시예 15와 마찬가지의 방법을 이용하여, 실시예 1에서 제조한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조된 후 탄화로에서 500 ℃ 온도에서 30분 동안 열처리과정을 통하여, 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원을 수행하였다. X선-회절분석 (X-ray diffraction analysis) 결과, 이산화티타늄의 결정성이 아나타제형(Anatase type)임을 확인할 수 있었다.Using the same method as in Example 15, the graphene oxide combined with the titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 was dried in a vacuum oven at 25 ℃ through a heat treatment for 30 minutes at 500 ℃ temperature in a carbonization furnace , Crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide were carried out. As a result of X-ray diffraction analysis, it was confirmed that the crystallinity of titanium dioxide was Anatase type.
[실시예 17]Example 17
실시예 15와 마찬가지의 방법을 이용하여, 실시예 1에서 제조한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조된 후 탄화로에서 500 ℃ 온도에서 45분 동안 열처리과정을 통하여, 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원을 수행하였다. X선-회절분석 (X-ray diffraction analysis) 결과, 이산화티타늄의 결정성이 아나타제형(Anatase type)임을 확인할 수 있었다.Using the same method as in Example 15, the graphene oxide combined with the titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 was dried in a vacuum oven at 25 ℃ after heat treatment for 45 minutes at 500 ℃ temperature in a carbonization furnace , Crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide were carried out. X-ray diffraction analysis shows that the crystallinity of titanium dioxide is anatase type. there was.
[실시예 18][Example 18]
실시예 15와 마찬가지의 방법을 이용하여, 실시예 1에서 제조한 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조된 후 탄화로에서 500 ℃ 온도에서 1시간 열처리과정을 통하여, 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원을 수행하였다. X선 회절분석(X-ray diffraction analysis) 결과, 500℃에서 1시간 이상 열처리하면 이산화티타늄의 결정성이 루틸형(Rutile type)을 띄는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 그래핀 시트의 뭉침현상이 발생하는 것을 확인하였다.Using the same method as in Example 15, the graphene oxide combined with the titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 was dried in a vacuum oven at 25 ℃ through a heat treatment for 1 hour at 500 ℃ temperature in a carbonization furnace, Crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide were performed. As a result of X-ray diffraction analysis, it was confirmed that the crystallinity of titanium dioxide showed rutile type when heat-treated at 500 ° C. for 1 hour or more. In addition, it was confirmed that the aggregation phenomenon of the graphene sheet.
[실시예 19][Example 19]
실시예 15와 마찬가지의 방법을 이용하여, 실시예 1에서 제조한 이산화 티타늄 나노로드가 결합된 산화그래핀은 25 ℃ 진공 오븐에서 건조된 후 탄화로에서 300, 400, 500, 600, 700, 그리고 800 ℃ 온도에서 30분 열처리과정을 통하여, 이산화티타늄의 결정화 및 산화 그래핀의 환원을 수행하였다. X선 회절분석(X-ray diffraction analysis) 결과, 300 내지 400 ℃는 이산화티타늄의 결정성이 비정형과 아나타제형(Anatase)이 공존하는 것으로 보였으며, 500 ℃에서는 강한 아나타제형을 보였습니다. 또한, 600 ℃ 이상의 열처리 온도에서는 루틸형을 강하게 띄었습니다.Using the same method as in Example 15, the graphene oxide combined with the titanium dioxide nanorods prepared in Example 1 was dried in a vacuum oven at 25 ℃ and then 300, 400, 500, 600, 700, and Through a 30-minute heat treatment at 800 ℃ temperature, crystallization of titanium dioxide and reduction of graphene oxide was performed. As a result of X-ray diffraction analysis, the crystallinity of titanium dioxide coexisted with amorphous and anatase type at 300-400 ℃, and strong anatase type at 500 ℃. In addition, the rutile type appeared strongly at the heat treatment temperature of 600 degreeC or more.
[실시예 20][Example 20]
이산화티타늄 나노로드는 변수 실험(control experiment)를 위하여 제조되었다. 올레일아민 40 ml를 둥근 플라스크 내에서 300 ℃로 가열하였고, 타이타늄 클로라이드 0.55 ml를 넣고 300 ℃에서 10분 동안 반응하여 이산화티타늄 나노로드를 제조하였고, 전자현미경 분석결과 4 나노미터의 직경과 25 나노미터의 길이를 갖는 나노로드 형태인 것을 확인할 수 있었다.Titanium dioxide nanorods were prepared for a control experiment. 40 ml of oleylamine was heated to 300 ° C. in a round flask, and 0.55 ml of titanium chloride was added thereto and reacted at 300 ° C. for 10 minutes to prepare titanium dioxide nanorods. It was confirmed that the shape of the nanorod having a length of the meter.
[실시예 21]Example 21
상기 실시예 15에서 제조된 균일한 이산화티타늄이 결합된 그래핀 시트를 0.5 g/L의 농도로 이용하여 15 ppm의 메틸렌블루(methylene blue) 용액 20 mL를 가시광선 하에서 분해하였을 때, 2 시간 후 메틸렌 블루 용액의 농도가 1 ppm 인 것을 확인할 수 있었다. (도 2)
When 20 mL of 15 ppm methylene blue solution was decomposed under visible light using a graphene sheet having a uniform titanium dioxide bond prepared in Example 15 at a concentration of 0.5 g / L, after 2
없음none
Claims (7)
(B) 상기 올레일아민에 분산된 산화 그래핀 용액에 이산화티타늄 전구체인 타이타늄 클로라이드를 첨가하여 나노로드 형태의 이산화티타늄이 결합된 산화 그래핀 시트를 제조하는 단계; 및,
(C) 상기 이산화티타늄 나노로드가 결합된 산화 그래핀 시트를 건조 후, 열처리하여 이산화티타늄의 높은 결정성 및 산화 그래핀의 환원을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티타늄 나노로드가 결합된 그래핀 시트의 제조방법. (A) dispersing graphite oxide in oleyl amine using an ultrasonic generator to prepare a graphene oxide solution dispersed in oleyl amine;
(B) preparing a graphene oxide sheet in which titanium dioxide in the form of nanorods is combined by adding titanium chloride, a titanium dioxide precursor, to the graphene oxide solution dispersed in the oleylamine; And
(C) the titanium dioxide nanorods are combined, comprising: drying the graphene oxide sheet to which the titanium dioxide nanorods are bonded, followed by heat treatment to induce high crystallinity of titanium dioxide and reduction of graphene oxide; Method for producing a graphene sheet.
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