KR101541746B1 - Photocatalytic hydrogen production from water under visible light and hydrogen production from water using it - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a photocatalyst and a method for generating hydrogen through water decomposition using visible light. More specifically, a SnP_6+/Nf/Pt-TiO_2 photocatalyst for generating hydrogen through water decomposition using visible light includes TiO_2 in which platinum is loaded, and a Nafion layer formed on the surface of the TiO_2, wherein SnP_6+ is impregnated in the the Nafion layer. The present invention can improve an activity of the TiO_2 in the visible light without dissolving dyes in a solution to efficiently generate hydrogen gas through water decomposition using visible light.

Description

가시광 물분해 수소생성용 광촉매 및 이를 이용한 물분해 수소생성방법{Photocatalytic hydrogen production from water under visible light and hydrogen production from water using it} [0001] The present invention relates to a photocatalytic hydrogen production process,

본 발명은 가시광 물분해 수소생성용 광촉매 및 이를 이용한 가시광 물분해 수소생성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플라티늄이 로딩된 TiO2 및 상기 TiO2 표면에 형성된 나피온 층을 포함하되, 상기 나피온 층에는 SnP6+가 함침되어 있는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 이를 이용한 가시광 물분해 수소생성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a photocatalyst for the production of visible light water-decomposable hydrogen and a method for producing visible hydrogen-decomposing hydrogen using the same, and more particularly, to a method for producing visible light by decomposition of platinum-loaded TiO 2 and a Nafion layer formed on the surface of TiO 2 , Layer is SnP 6+ -doped SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light water decomposition hydrogen production, and a method for producing visible hydrogen decomposition hydrogen using the same.

광촉매(photocatalysis)란 태양광을 비롯한 다양한 광에 의해 화학반응을 촉진시켜 촉매반응을 하는 물질을 뜻한다. 식물의 엽록소에서 일어나는 광합성이 바로 대표적인 광촉매 시스템(photocatalysis system)이라고 할 수 있다. 광촉매 시스템으로는 물을 분해하여 산소와 수소를 생산하는 물분해(water splitting), CO2를 이용하여 메탄올과 메탄을 생산하는 CO2 저감법(CO2 reduction), 인체에 유해한 유기물들을 분해하는 광분해(photo degradation) 등이 있다. Photocatalysis refers to a substance that catalyzes a chemical reaction by a variety of light sources, including sunlight. Photosynthesis occurring in the chlorophyll of a plant is a representative photocatalysis system. Photocatalyst system is decomposed with water to decompose water to produce oxygen and hydrogen (water splitting), CO 2 reduction method that produces methanol and methane by using CO 2 (CO 2 reduction), photolysis for decomposing the harmful organic matters in the human body (photo degradation).

이러한 광촉매 시스템은 외부에서 에너지를 얻지 않고 태양광만을 이용하여 독자적으로 작용을 하는 시스템으로, 여기에 사용되는 광촉매 또한 인체에 무해하고 특정조건하에 재사용이 가능하기 때문에 차세대 청정에너지원이라 할 수 있다.This photocatalytic system is a system that exerts its own action by using only sunlight without obtaining energy from the outside. Since the photocatalyst used here is harmless to the human body and can be reused under specific conditions, it can be considered as a next generation clean energy source.

특히 물분해는 다음과 같은 식에 의해 물을 분해하여 수소가스를 생산한다.In particular, water decomposition produces hydrogen gas by decomposing water by the following equation.

H2O → 1/2O2 + H2 (△G = 237KJ/mol) H 2 O → 1 / 2O 2 + H 2 (△ G = 237KJ / mol)

물분해는 태양광을 흡수하여 전자가 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 들떠 반응을 일으키는 광촉매를 필요로 한다. 광촉매는 값이 저렴하고 인체에 무해하고 안정성이 뛰어나야 하며, 물과 직접적으로 반응하는 경우가 많기 때문에 친수성이어야 한다. Water decomposition requires a photocatalyst that absorbs sunlight, causing electrons to exude from the valence band to the conduction band. The photocatalyst should be hydrophilic because it is inexpensive, harmless to the human body, excellent in stability, and often reacts directly with water.

물분해 반응의 표준 깁스 자유에너지 변화(standard Gibbs free energy change)인 Δ값은 237kJ/mol이고, 밴드갭 에너지는 1.23eV로, TiO2는 이러한 조건들을 충족하기 때문에 광촉매로 주로 사용되었다. 그러나 TiO2의 밴드갭 에너지는 3.0eV로 가시광을 이용하기에는 부적합하였다.The standard Gibbs free energy change Δ G ° value of the water decomposition reaction is 237 kJ / mol and the band gap energy is 1.23 eV. TiO 2 is mainly used as a photocatalyst because it satisfies these conditions. However, the band gap energy of TiO 2 was 3.0 eV, which was not suitable for using visible light.

전자가 들뜨게 되면 들뜬 전자가 다시 홀과 결합하는 재결합이 발생하게 되는데, 이 현상이 일어나게 되면 수소발생의 효율이 떨어지고 심하게 되면 반응이 일어나지 않게 된다. 따라서 이를 방지하기 위하여 election trap으로 작용하는 공촉매를 촉매 표면에 코팅하게 된다. 상기 공촉매로는 Pt, Au, Ag, Pd 등의 귀금속이 주로 사용되었으며, 최근 값비싼 귀금속을 대체하기 위하여 RuO2, NiO 등의 전이금속 산화물, MOS2 등의 비금속 산화물 등에 대하여 연구되고 있다. 이외에도 촉매에 전자를 지속적으로 전달하기 위한 희생제(sacrificial reagent)로 EDTA, 메탄올 등이 사용되고 있다. When the electrons are excited, the recombination occurs in which the excited electrons are recombined with the holes. If this phenomenon occurs, the efficiency of hydrogen generation is decreased. Therefore, in order to prevent this, a cocatalyst acting as an election trap is coated on the catalyst surface. As the cocatalyst, noble metals such as Pt, Au, Ag and Pd are mainly used. In recent years, transition metal oxides such as RuO 2 and NiO and non-metal oxides such as MOS 2 have been studied to replace expensive noble metals. In addition, EDTA and methanol are used as sacrificial reagents to continuously transfer electrons to the catalyst.

한편, 태양광은 자외선(300~400㎚), 가시광선(400~700㎚), 근적외선(700~2500㎚) 영역의 빛을 가지며, 이중 가시광은 지면에 조사되는 태양광 중 약 43%를 차지한다. On the other hand, sunlight has light of ultraviolet rays (300 to 400 nm), visible light (400 to 700 nm) and near infrared rays (700 to 2500 nm), and visible light accounts for about 43% do.

광촉매로 주로 사용되는 TiO2의 경우에는 400㎚ 이하의 빛만을 흡수하기 때문에 지표면에 조사되는 태양광 중 5% 정도밖에 이용하지 못한다. 이에, 상기 문제점을 보완하기 위하여 가시광 염료를 이용한 염료감응 광촉매(dye-sensitized photocatalysis)가 개발되었다. In the case of TiO 2 , which is mainly used as a photocatalyst, only about 5% of the sunlight irradiated on the ground surface is used because it absorbs light of 400 nm or less. In order to solve the above problems, a dye-sensitized photocatalysis using a visible light dye has been developed.

염료감응 광촉매는 가시광을 촉매가 아닌 염료가 흡수를 하게 되고, 염료에서 들뜬 전자가 촉매로 이동하여 가시광 영역의 빛도 사용할 수 있게 해준다. 대표적인 가시광 염료로는 루테늄(ruthenium)을 이용한 염료가 많이 사용된다. 그러나, 상기 루테늄 염료의 경우에는 가시광 영역에서의 효율은 매우 우수하나, 가격이 비싸고 환경적으로 안정적이지 못하다는 단점이 있었다. The dye-sensitized photocatalyst absorbs visible light, not the catalyst, and the excited electrons in the dye move to the catalyst, allowing the use of visible light. As the representative visible light dyes, ruthenium-based dyes are widely used. However, in the case of the ruthenium dye, the efficiency in the visible light region is excellent, but it is expensive and environmentally unstable.

따라서 상기 루테늄을 대체하기 위한 다양한 가시광 염료에 대하여 활발히 연구되고 있으며, 내부에 비교적 저렴한 금속인 주석이 치환된 주석 포르피린의 경우 밴드갭 에너지가 1.97eV로 루테늄 염료와 비슷하며, 가격이 저렴하고 구조적으로 안정성을 가지며, 가시광에서 넓은 영역의 흡광을 보여 가시광 염료로 폭넓게 사용되고 있다.Therefore, various visible light dyes for replacing ruthenium have been actively studied, and tin porphyrin, which is a relatively inexpensive metal, has a band gap energy of 1.97 eV, similar to ruthenium dyes, Stability, and exhibits a wide range of light absorption in visible light, and is widely used as a visible light dye.

국내공개특허 제10-2012-0008341호Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0008341

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 TiO2의 가시광에서의 활성을 개선하여 가시광을 이용하여 효율적으로 물분해를 통한 수소가스의 생산이 가능한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 이를 이용한 물분해 수소생성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention relates to a method for improving the activity of TiO 2 in visible light and using SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 capable of efficiently producing hydrogen gas through water decomposition using visible light And a method of producing hydrogen by using the same.

또한 본 발명은 간단한 공정을 통하여 염료와 촉매를 일체화시킴으로써 염료를 따로 용액에 녹이지 않고도 자체적으로 사용이 가능한 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 이를 이용한 물분해 수소생성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention also relates to a SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light water-decomposable hydrogen production which can be used independently without dissolving the dye in a solution by integrating the dye and the catalyst through a simple process, And to provide a method for generating the same.

또한 본 발명은 전 pH 영역에서 수소생성이 가능한 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 이를 이용한 물분해 수소생성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for producing visible visible light water-decomposable hydrogen, which can generate hydrogen in the entire pH range, and a method for producing water-decomposed hydrogen using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플라티늄이 로딩된 TiO2; 및 상기 TiO2 표면에 형성된 나피온 층을 포함하되, 상기 나피온 층에는 SnP6+가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is TiO 2 The platinum loading; And a Nafion layer formed on the surface of the TiO 2 , wherein the Nafion layer is impregnated with SnP 6+ , wherein the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst .

상기 플라티늄은 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%로 로딩되며, 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 형성된 나피온 층은 1~20㎚의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The platinum is TiO 2, and the total loading of 1 to 10% by weight, based on the weight, Nafion layer formed on the TiO 2 surface of the platinum loading is preferably formed to a thickness of 1 ~ 20㎚.

상기 SnP6+는 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.The SnP 6+ is preferably contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the photocatalyst.

또한 본 발명은 (S1)가시광 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)를 제조하는 단계; (S2)플라티늄(platinum)이 로딩된 TiO2 표면에 나피온 층(nafion layer)이 형성된 Nf/Pt-TiO2를 제조하는 단계; 및 (S3)상기 Nf/Pt-TiO2에 SnP6+를 결합하여 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법을 제공한다.Further steps of the invention is producing a (S1) of the visible light dyes [Sn (OH 2) 2 TPy H P (4)] 6+ (SnP 6+); (S2) preparing Nf / Pt-TiO 2 having a nafion layer formed on the surface of platinum loaded TiO 2 ; And (S3) the Nf / Pt-TiO 2 by combining the SnP 6+ 6+ SnP / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst preparing a; SnP characteristics for visible light to decompose the hydrogen water produced by including 6+ / A method for producing a Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst is provided.

상기 (S1)단계의 가시광 염료는, (a)피롤 및 4-피리딘카르복스알데하이드(4-pyridinecarboxaldehyde)를 용매(프로피온산) 하에서 반응시켜 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린(H2TPYP(4))을 합성하는 단계; (b)상기 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린을 용매(피리딘)에 용해시킨 후, 염화주석(Ⅱ)수화물(tin(Ⅱ) chloride dihydrate)을 첨가하고 반응시켜 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(SnCl2TPyP(4))를 합성하는 단계; (c)상기 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)에 탄산칼륨(potassium carbonate, K2CO3)을 첨가하고 반응시켜 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(Sn(OH)2TPyP(4))를 합성하는 단계; 및 (d)상기 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)에 산처리하여 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)를 합성하는 단계;로 제조될 수 있다.The visible light dyes of step (S1) may be prepared by reacting (a) pyrrole and 4-pyridinecarboxaldehyde with 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) Porphyrin (H 2 TPYP (4)); (b) dissolving the 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin in a solvent (pyridine), adding tin (II) chloride dihydrate and reacting Synthesizing trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV) (SnCl 2 TPyP (4)); (c) adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ) to the trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] (IV) (Sn (OH) 2 TPyP (4)) as a starting material; And (d) the trans-dihydroxy rokso [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] by acid treatment in the tin (Ⅳ) [Sn (OH 2) 2 H TPy P (4) ] 6 + (SnP 6+ ).

상기 (S2)단계의 Nf/Pt-TiO2는 TiO2 표면에 플라티늄(Pt)이 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%로 로딩된 것이 바람직하다.The (S2) Nf / Pt-TiO 2 of the step is preferably platinum (Pt) to the TiO 2 surface is loaded with 1-10% by weight relative to the total weight of TiO 2.

상기 (S2)단계의 Nf/Pt-TiO2는 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 나피온 층이 TiO2 총 중량에 대하여 10~35중량%로 형성된 것이 바람직하다.The Nf / Pt-TiO 2 of the step (S2) is preferably formed such that the Nafion layer is formed on the surface of the TiO 2 loaded with platinum in an amount of 10 to 35% by weight based on the total weight of TiO 2 .

상기 (S3)단계의 SnP6+는 Nf/Pt-TiO2 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.The SnP 6+ in the step (S3) is preferably contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst.

또한 본 발명은 상기 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 물을 포함하는 가시광 물분해 수소생성용 조성물을 제공한다.Further, the present invention provides a composition for producing hydrogen peroxide decomposing visible light comprising SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst and water.

상기 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 물 1.0g/L를 기준으로 1~5g/L로 포함되는 것이 바람직하다.The SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst is preferably contained in an amount of 1 to 5 g / L based on 1.0 g / L of water.

또한 본 발명은 상기 가시광 수소생성용 조성물에 가스를 공급한 후 광조사하는 단계를 포함하는 가시광 물분해 수소생성방법을 제공한다.The present invention also provides a visible light water decomposition hydrogen production method comprising the step of supplying gas to a composition for visible light hydrogen production and then irradiating light.

본 발명에 따른 가시광 수소생성용 광촉매는 TiO2의 가시광에서의 활성을 개선하여 가시광을 이용하여 효율적으로 물분해를 통한 수소가스의 생산이 가능하고, 간단한 공정을 통하여 염료와 촉매를 일체화시킴으로써 염료를 따로 용액에 녹이지 않고도 자체적으로 사용이 가능하며, 전 pH 영역에서 수소생성이 가능하여 수소생성효율을 더욱 향상시킬 수 있다.The photocatalyst for visible light hydrogen production according to the present invention improves the activity of TiO 2 in visible light so that hydrogen gas can be efficiently produced through water decomposition using visible light and the dye and the catalyst are integrated through a simple process, It can be used independently without dissolving in a solution, and it is possible to generate hydrogen in the entire pH range, thereby further improving the hydrogen production efficiency.

도 1은 본 발명에 따른 가시광 염료 제조과정 중 생성된 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린의 1H NMR 분광분석 결과를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가시광 염료 제조과정 중 생성된 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)의 1H NMR 분광분석 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가시광 염료 제조과정 중 생성된 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)의 1H NMR 분광분석 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조한 가시광 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+1H NMR 분광분석 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조한 가시광 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+ 분말과, UV-vis 스펙트럼 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 Nf/Pt-TiO2 촉매 제조과정 중 플라티늄이 로딩된 Pt-TiO2의 TEM 및 TEM-EDS 측정결과를 나타낸 도이다. 도 6a는 TEM, 6b는 EDS, 6c는 S-TEM 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따라 제조한 Nf/Pt-TiO2의 TEM 및 TEM-EDS 측정결과를 나타낸 도이다. 도 7a는 TEM, 7b는 EDS 이미지이다.
도 8은 본 발명에 따라 제조한 Nf/Pt-TiO2의 XPS 스펙트럼 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 따라 제조한 Nf/Pt-TiO2의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 제조 시 가시광 염료인 SnP6+의 흡수정도를 시간별 UV-vis 스펙트럼으로 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명에 따른 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 제조 시 가시광 염료인 SnP6+의 흡수정도를 소레트 밴드를 기존으로 그래프로 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 반사율 측정결과를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 TGA 분석결과를 나타낸 도이다.
도 14는 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 TEM-EDS 측정결과를 나타낸 도이다.
도 15는 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 염료의 양에 따른 수소생성 정도를 나타낸 도이다.
도 16은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 촉매의 양에 따른 수소생성 정도를 나타낸 도이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 촉매의 안정성(수소 생성 시점) 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 18은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용하여 pH 9에서 물분해 반응 시 수소생성 정도를 나타낸 도이다.
도 19는 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 pH 변화에 따른 포르피린 염료의 변화를 나타낸 도이다.
도 20은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 pH 변화에 따른 포르피린 염료의 변화를 UV-vis 스펙트럼으로 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 21은 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 이용한 물분해 반응 시 pH 변화에 따른 수소생성 정도를 나타낸 도이다.
1 is a graph showing the results of 1 H NMR spectroscopic analysis of 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin produced in the process of producing a visible light dye according to the present invention.
2 is a graph showing the results of 1 H NMR spectroscopic analysis of trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV) produced in the process of producing a visible light dye according to the present invention to be.
3 shows the results of 1 H NMR spectroscopic analysis of trans-dihydroxy [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV) produced in the process of producing a visible light dye according to the present invention Fig.
4 is a graph showing the results of 1 H NMR spectroscopic analysis of [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+ which is a visible light dye prepared according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of UV-vis spectrum and [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+ powder as a visible light dye prepared according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing TEM and TEM-EDS measurement results of platinum-loaded Pt-TiO 2 in the process of preparing Nf / Pt-TiO 2 catalyst according to the present invention. 6A is a TEM, 6b is an EDS, and 6c is an S-TEM image.
FIG. 7 is a TEM and TEM-EDS measurement result of Nf / Pt-TiO 2 prepared according to the present invention. 7A is a TEM, and 7b is an EDS image.
8 is a graph showing XPS spectral results of Nf / Pt-TiO 2 prepared according to the present invention.
9 is a graph showing FT-IR analysis results of Nf / Pt-TiO 2 prepared according to the present invention.
10 is a graph showing the results of UV-vis spectroscopy of the absorption of SnP 6+ , which is a visible light dye, when preparing SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the sorption band of SnP 6+ , which is a visible light dye, in the manufacture of SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst according to the present invention.
12 is a graph showing the results of measurement of the reflectance of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
13 is a graph showing the TGA analysis results of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
14 is a TEM-EDS measurement result of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
FIG. 15 is a graph showing the degree of hydrogen production according to the amount of dye in the water decomposition reaction using the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
16 is a graph showing the degree of hydrogen production according to the amount of catalyst in the water decomposition reaction using the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
17 is a graph showing the stability of the catalyst (hydrogen generation point) measured in the water decomposition reaction using the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
18 is a graph showing the degree of hydrogen production in a water decomposition reaction at pH 9 using SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
19 is a graph showing changes in porphyrin dye according to pH change during water decomposition reaction using SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.
FIG. 20 is a graph showing the change of porphyrin dye according to the pH change in the water decomposition reaction using the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention with the UV-vis spectrum.
21 is a graph showing the degree of hydrogen production according to pH change during the water decomposition reaction using the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention.

이하 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 TiO2가 가지는 가시광에서의 활성과 낮은 표면극성 문제를 해소하기 위하여, 가시광 염료인 주석 포르피린을 이용하고, TiO2 표면에 강한 (-) 극성을 가진 나피온을 코팅한 결과 TiO2의 표면극성을 높여 주석 포르피린이 잘 달라붙으며, 가시광선 하에서 높은 효율로 수소생산이 가능함을 확인하고 이를 토대로 본 발명을 완성하였다.The present inventors to address the active and low surface polarity problem of the visible light is TiO 2 having, using a tin porphyrin, a visible dye, strong on TiO 2 surface (-) After a coating of Nafion with a polarity of TiO 2 It is confirmed that tin porphyrin adheres well by increasing the surface polarity, and hydrogen production can be performed with high efficiency under visible light, and the present invention has been completed on the basis thereof.

본 발명의 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 플라티늄이 로딩된 TiO2 및 상기 TiO2 표면에 형성된 나피온 층을 포함하되, 상기 나피온 층에는 SnP6+가 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for producing visible visible light decomposition hydrogen includes platinum-loaded TiO 2 and a Nafion layer formed on the surface of the TiO 2 , wherein the Nafion layer contains SnP 6+ Is impregnated.

상기 TiO2는 직경이 10~100㎚ 인 것이 바람직하다. 그 크기가 10㎚ 미만일 경우 높은 효율을 가지나 제조가 어렵고 가격이 올라 효율이 떨어질 수 있고, 100㎚를 초과할 경우에는 TiO2 내부의 면적이 커서 전자와 전공이 분리된 후 다시 결합하게 되는 재결합이 일어날 수 있다.The TiO 2 preferably has a diameter of 10 to 100 nm. If the size is less than 10 nm, the efficiency is low, but it is difficult to manufacture, the price is high and the efficiency is low. If the size is more than 100 nm, the area inside TiO 2 is large, Can happen.

상기 TiO2의 표면에는 플라티늄이 로딩되는데, 이때 TiO2에 로딩된 플라티늄의 함량은 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5중량%인 것이다. 그 함량이 1중량% 미만일 경우에는 수소가 생산되는 공촉매의 양이 부족하여 수소 발생이 적을 수 있으며, 10중량%를 초과할 경우에는 플라티늄이 로딩된 TiO2이 너무 검은색을 띄게 되며, 오히려 촉매의 표면적이 줄어들어 빛을 받는 위치가 적어 수소 발생이 줄어들 수 있다.There is platinum is loaded on the surface of the TiO 2, wherein the content of platinum loaded on the TiO 2 is the total of TiO 2 is preferably from 1 to 10% by weight relative to the weight, more preferably 5% by weight. When the content is less than 1% by weight, the amount of cocatalyst in which hydrogen is produced is insufficient and hydrogen generation may be small. When the content exceeds 10% by weight, platinum-loaded TiO 2 becomes too black, The surface area of the catalyst is reduced and hydrogen generation can be reduced because the position of receiving light is small.

상기 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에는 나피온 층(nafion layer)이 형성된다. 상기 나피온 층은 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 1~20㎚의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 그 두께가 1㎚ 미만일 경우에는 완전히 표면에 코딩되지 않을 수 있고, 20㎚를 초과할 경우에는 빛이 표면에 도달하지 못할 수 있다.A nafion layer is formed on the surface of the platinum-loaded TiO 2 . The Nafion layer is preferably formed to a thickness of 1 to 20 nm on the surface of the TiO 2 loaded with platinum. When the thickness is less than 1 nm, it may not be completely cured on the surface, and when it exceeds 20 nm, light may not reach the surface.

또한 상기 나피온 층에 흡수되어 있는 가시광 염료인 SnP6+는 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.1중량% 미만일 경우에는 광활성에 사용되는 염료의 양이 충분하지 않아 반응이 나타나지 않을 수 있고, 10중량%를 초과할 경우에는 용액의 색이 너무 진하여 촉매까지 빛을 전달하지 못하여 효율이 떨어질 수 있다.It is preferable that SnP 6+, which is a visible light dye absorbed in the Nafion layer, is contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the photocatalyst. When the content is less than 0.1% by weight, the amount of the dye used for photoactivity is not sufficient and the reaction may not be exhibited. When the content exceeds 10% by weight, the color of the solution becomes too dark, Can fall.

상기와 같은 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 (S1)가시광 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)를 제조하는 단계, (S2)플라티늄(platinum)이 로딩된 TiO2 표면에 나피온 층(nafion layer)이 형성된 Nf/Pt-TiO2를 제조하는 단계 및 (S3)상기 SnP6+ 및 Nf/Pt-TiO2를 결합하여 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제조하는 단계로 제조할 수 있다. SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst as described above to prepare the (S1) of the visible light dyes [Sn (OH 2) 2 TPy H P (4)] 6+ (SnP 6+), (S2) Pt-TiO 2 having a Nafion layer formed on the platinum-loaded TiO 2 surface; and (S3) combining SnP 6+ and Nf / Pt-TiO 2 to form SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst.

이하에서는 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in detail in each step.

(S1) [Sn(OH(S1) [Sn (OH 22 )) 22 TPyTPy HH P(4)]P (4)] 6+6+ 제조 Produce

본 발명에서는 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있는 가시광 염료를 제조하여 TiO2를 이용한 물분해 시 자외선만이 아닌 보다 넓은 영역의 가시광을 이용하도록 하였으며, 가격이 저렴한 주석이 사용된 포르피린 구조를 가지는 주석 포르피린 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+를 합성함으로써 가시광 염료로 주로 사용되던 루테늄을 가진 Ru(bby)32+의 비용적인 측면과 환경적으로 유해한 문제를 보완하였다.In the present invention, visible light dyes capable of absorbing light in the visible light region are prepared, and visible light of a wider range than that of ultraviolet light is used for decomposition of water using TiO 2 , and tin By synthesizing the porphyrin dye [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6 +, the cost aspect of Ru ( bby ) 32+ with ruthenium, which was mainly used as visible light dye, and the environmentally harmful problem were compensated .

상기 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+는 하기 반응식 1과 같이 제조할 수 있다. [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+ can be prepared as shown in Reaction Scheme 1 below.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure 112014042293290-pat00001
Figure 112014042293290-pat00001

(a) 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린 제조(a) Production of 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin

먼저, 정제된 피롤(pyrrole) 및 4-피리딘카르복스알데하이드(4-pyridinecarboxaldehyde)를 용매인 프로피온산(propionic acid)에 용해시키고, 120~160℃에서 1~3시간 동안, 바람직하게는 140℃에서 2시간 동안 반응시킨다. 그 다음 상기 반응물로부터 용매를 제거하고 디메틸포름아미드(DMF)에 하루정도 담근 후 컬럼 크로마토그라피하여 보라색을 띄는 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린(5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin, 이하 'H2TPyP(4)'이라 함)을 얻을 수 있다. First, purified pyrrole and 4-pyridinecarboxaldehyde are dissolved in propionic acid as a solvent and heated at 120 to 160 ° C for 1 to 3 hours, preferably at 140 ° C for 2 Lt; / RTI > Then, the solvent was removed from the reaction solution, and the reaction mixture was immersed in dimethylformamide (DMF) for one day. Column chromatography was performed to obtain purple 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin 5,10,15, Tetrakis (4-pyridyl) porphyrin (hereinafter referred to as 'H 2 TPyP (4)') can be obtained.

상기 피롤 및 4-피리딘카르복스알데하이드는 1~2:1~2의 중량비로 반응시키는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 1:1의 중량비로 반응시키는 것이다. 그 반응비가 상기 범위를 벗어날 경우에는 반응 후 남게 된 피롤 및 4-피리딘카르복스알데하이드가 서로 반응하게 되어 목적하는 물질이 아닌 다른 물질이 합성될 수 있다.The pyrrole and 4-pyridinecarboxaldehyde are preferably reacted at a weight ratio of 1 to 2: 1 to 2, more preferably 1: 1. When the reaction ratio is out of the above range, the remaining pyrrole and 4-pyridinecarboxaldehyde react with each other, so that a substance other than the desired substance can be synthesized.

(b) 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ) 제조(b) Preparation of trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV)

이어서, 상기 제조한 H2TPyP(4)를 용매인 피리딘에 용해시킨 뒤 염화주석(Ⅱ)수화물(tin(Ⅱ) chloride dihydrate, SnCl2)을 첨가하고 100~140℃에서 8~12시간 동안, 바람직하게는 120℃에서 10시간 동안 반응시킨다. 그 다음 상기 반응물을 셀라이트를 이용해 필터한 후 디클로로메탄과 n-헥산을 이용하여 재결정하여 보라색 결정의 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(trans-dichloro[5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin]tin(Ⅳ), 이하 'SnCl2TPyP(4)'라 함)을 얻을 수 있다. Then, the prepared H 2 TPyP (4) was dissolved in pyridine as a solvent, tin (II) chloride dihydrate (SnCl 2 ) was added, and the mixture was stirred at 100 to 140 ° C. for 8 to 12 hours, Preferably at 120 DEG C for 10 hours. The reaction product was filtered using celite and then recrystallized from dichloromethane and n-hexane to obtain a purple crystal of trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] (IV) ( trans- dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV), hereinafter referred to as SnCl 2 TPyP (4)).

상기 H2TPyP(4)와 염화주석(Ⅱ)수화물은 1~1:1~5의 중량비로 반응시키는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 1:2의 중량비로 반응시키는 것이다. 그 반응비가 상기 범위를 벗어날 경우에는 내부에 주석이 위치한 포르피린과 주석이 위치하기 못한 포르피린으로 나누어 반응이 일어날 수 있다.The H 2 TPyP (4) and the tin (II) chloride hydrate are preferably reacted at a weight ratio of 1: 1 to 1: 5, more preferably 1: 2. When the reaction ratio is out of the above range, the reaction may be divided into porphyrin in which tin is located and porphyrin in which tin is not located.

(c) 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ) 제조(c) Preparation of trans-dihydroxy [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV)

상기 제조한 SnCl2TPyP(4)을 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹인 뒤 이 용액에 증류수에 녹인 탄산칼륨(K2CO3)을 넣은 후 70~90℃에서 3~5시간 동안, 바람직하게는 80℃에서 4시간 동안 환류하여 반응시킨다. 반응 시 테트라하이드로퓨란에 녹아 있던 SnCl2TPyP(4) 반응이 종료되면서 합성된 보라색 결정의 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(trans-dihydroxo[5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin]tin(Ⅳ), 이하, 'Sn(OH)2TPyP(4)'라 함)을 얻을 수 있다.The prepared SnCl 2 TPyP (4) is dissolved in tetrahydrofuran (THF), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) dissolved in distilled water is added to the solution, and the solution is stirred at 70 to 90 ° C. for 3 to 5 hours, And the mixture is refluxed at 80 DEG C for 4 hours to react. In the reaction, the purple crystal trans-dihydroxy [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV) synthesized by the completion of the SnCl 2 TPyP (4) reaction dissolved in tetrahydrofuran ) (trans -dihydroxo [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] can be obtained tin (ⅳ), hereinafter referred to as, 'Sn (OH) 2 TPyP (4)' hereinafter).

상기 SnCl2TPyP(4) 및 탄산칼륨은 1~1:2~5의 중량비로 반응시키는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 1:2의 중량비로 반응시키는 것이다. 그 반응비가 상기 범위를 벗어날 경우에는 합성 후 남아 있는 탄산칼륨이 포르피린의 순도를 감소시킬 수 있다.The SnCl 2 TPyP (4) and the potassium carbonate are preferably reacted at a weight ratio of 1: 1 to 2: 5, more preferably 1: 2. If the reaction ratio is out of the above range, potassium carbonate remaining after the synthesis may reduce the purity of porphyrin.

(d) [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+ 제조(d) Preparation of [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+

상기 합성된 Sn(OH)2TPyP(4)의 경우 물에 녹지 않기 때문에 바로 물분해 과정에 사용할 수 없다. 때문에, 상기 Sn(OH)2TPyP(4)에 산처리를 실시하여 +6 극성으로 치환시켜 물에 녹는 상태로 만들어준다. 즉, 산처리를 위하여 Sn(OH)2TPyP(4)에 산 용액을 녹여주고, 아세톤을 이용하여 층형성(layering)을 한 후 3일 동안 방치하여 보라색 결정의 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(이하, 'SnP6+'이라 함)을 얻을 수 있다. In the case of the synthesized Sn (OH) 2 TPyP (4), it can not be used in the water decomposition process since it is not soluble in water. Therefore, the Sn (OH) 2 TPyP (4) is subjected to an acid treatment to replace the Sn (OH) 2 TPyP (4) with a +6 polarity to make it soluble in water. That is, for the acid treatment, the acid solution was dissolved in Sn (OH) 2 TPyP (4), layered using acetone, and left for 3 days to obtain a purple crystalline [Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+ (hereinafter referred to as "SnP 6+ ").

상기 산처리를 위한 산 용액으로는 질산, 염산, 황산, 인산 등의 수용액이 사용될 수 있으며, 특히 1% 질산 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.As the acid solution for the acid treatment, an aqueous solution such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid and the like may be used. In particular, 1% nitric acid aqueous solution is preferably used.

(S2) Nf/Pt-TiO(S2) Nf / Pt-TiO 22 제조 Produce

물분해에 가장 많이 사용되는 촉매인 TiO2의 경우 자외선만을 이용하기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있었으며, 이에 가시광을 흡수하는 염료를 만들어 촉매와 함께 사용함으로써 TiO2가 자외선과 가시광을 모두 사용하도록 하였다. 가시광 염료는 (+)극성을 가지고, 촉매인 TiO2의 표면은 (-)을 극성을 가지며, 이 극성 차이로 염료가 촉매의 표면에 가까워지고 전자를 전달하는 구조를 가지게 된다. 이에, 본 발명에서는 이러한 현상을 극대화하기 위하여 보다 많은 (-)극성을 가지는 나피온 층을 TiO2 표면에 형성함으로써 전자 전달 효과를 극대화하고, 상기 나피온 층에 염료를 흡수시킴으로써 염료와 촉매가 일체화된 가시광 물분해 수소생성용 광촉매를 만들고자 하였다. TiO 2 , which is the most used catalyst for water decomposition, has a problem of low efficiency because it uses only ultraviolet rays. Thus, a dye absorbing visible light is prepared and used together with a catalyst so that TiO 2 uses both ultraviolet rays and visible light. The visible light dye has (+) polarity, and the surface of the catalyst TiO 2 has (-) polarity, and the polarity difference causes the dye to approach the surface of the catalyst and to transfer electrons. In order to maximize this phenomenon, in the present invention, a Nafion layer having a greater (-) polarity is formed on the surface of TiO 2 to maximize the electron transferring effect, and the dye and the catalyst are integrated And to make photocatalyst for decomposition of visible visible light water.

상기 Nf/Pt-TiO2 촉매는 하기 반응식 2와 같이 제조할 수 있다.The Nf / Pt-TiO 2 catalyst can be prepared as shown in the following reaction formula (2).

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure 112014042293290-pat00002
Figure 112014042293290-pat00002

상기 반응식 2를 참조하여 설명하면, TiO2 표면에 플라티늄(platinum)을 로딩하고, 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 나피온 층을 형성한다.Referring to Scheme 2, the loading of platinum (platinum) on TiO 2 surface, and forming a Nafion layer on TiO 2 surface of the platinum loading.

플라티늄의 로딩은 통상의 방법에 따라 빛을 이용한 광환원, 에틸렌글리콜을 사용한 열환원, NaBH4(sodium borohydride)를 사용한 화학적 환원에 의해 실시할 수 있으며, 특히 화학적 환원에 의해 플라티늄을 로딩하는 것이 효율적인 측면에 있어 더욱 좋다.The loading of platinum can be carried out by light reduction using light, thermal reduction using ethylene glycol, or chemical reduction using NaBH 4 (sodium borohydride) according to a conventional method. In particular, loading of platinum by chemical reduction is effective It is better on the side.

구체적으로 상기 플라티늄 로딩은, 촉매인 TiO2 분말에 염화백금산(H2PtCl6· H2O) 수용액에 함침시키고, NaBH4를 첨가하여 계속하면서 교반하는 화학적 환원법에 따라 수행될 수 있다.Specifically, the platinum loading can be performed according to a chemical reduction method in which TiO 2 powder as a catalyst is impregnated with an aqueous solution of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .H 2 O), NaBH 4 is added, and stirring is continued.

상기 촉매인 TiO2에 로딩된 플라티늄의 함량은 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5중량%인 것이다. 그 함량이 1중량% 미만일 경우에는 수소가 생산되는 공촉매의 양이 부족하여 수소 발생이 적을 수 있으며, 10중량%를 초과할 경우에는 플라티늄이 로딩된 TiO2이 너무 검은색을 띄게 되며, 오히려 촉매의 표면적이 줄어들어 빛을 받는 위치가 적어 수소 발생이 줄어들 수 있다.The amount of platinum loaded on the TiO 2 catalyst is preferably 1 to 10 wt%, more preferably 5 wt%, based on the total weight of TiO 2 . When the content is less than 1% by weight, the amount of cocatalyst in which hydrogen is produced is insufficient and hydrogen generation may be small. When the content exceeds 10% by weight, platinum-loaded TiO 2 becomes too black, The surface area of the catalyst is reduced and hydrogen generation can be reduced because the position of receiving light is small.

그 다음 상기와 같이 플라티늄이 로딩된 TiO2(Pt-TiO2) 표면에 나피온 층(nafion layer)을 형성한다. 구체적으로, 상기 Pt-TiO2 분말을 나피온 용액에 넣고 혼합한 다음 80~100℃, 바람직하게는 90℃에서 약 10분간 건조하여 Pt-TiO2의 표면에 나피온 층이 형성된 Nf/Pt-TiO2를 얻을 수 있다.Then, a nafion layer is formed on the surface of the platinum-loaded TiO 2 (Pt-TiO 2 ) as described above. Specifically, the Pt-TiO 2 powder was mixed in a Nafion solution and then dried at 80 to 100 ° C, preferably 90 ° C for about 10 minutes to obtain a Naf / Pt-TiO 2 powder having a Nafion layer formed on the surface of Pt- TiO 2 can be obtained.

상기 나피온 층은 TiO2 총 중량에 대하여 10~35중량%가 되도록 Pt-TiO2의 표면에 1~20㎚의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 그 함량이 10중량% 미만일 경우에는 완전히 표면에 코딩되지 않을 수 있고, 35중량%를 초과할 경우에는 빛이 표면에 도달하지 못할 수 있다.The Nafion layer is preferably formed to a thickness of 1 ~ 20㎚ on the surface of the Pt-TiO 2 such that 10 to 35% by weight relative to the total weight of TiO 2. When the content is less than 10% by weight, it may not be completely cured on the surface, and when it exceeds 35% by weight, light may not reach the surface.

상기와 같이 제조된 Nf/Pt-TiO2는 표면에 나피온 층이 코팅되어 전체적으로 (-)극성을 가지게 된다.The Nf / Pt-TiO 2 thus prepared has a (-) polarity as a whole coated with a Nafion layer on its surface.

(S3) SnP(S3) SnP 6+6+ /Nf/Pt-TiO/ Nf / Pt-TiO 22 광촉매 제조 Photocatalyst manufacturing

마지막으로 상기와 같이 제조한 SnP6+ 및 Nf/Pt-TiO2를 결합하여 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제조한다.Finally, by combining the SnP 6+ and Nf / Pt-TiO 2 prepared as described above to produce an SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst.

구체적으로, 증류수에 상기 제조한 가시광 염료인 SnP6+를 녹인 후 상기 Nf/Pt-TiO2 촉매에 첨가하고 강하게 교반하여 Nf/Pt-TiO2 표면의 나피온 층에 SnP6+가 흡수된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제조할 수 있다. 이때, 가시광 염료인 SnP6+가 Nf/Pt-TiO2 촉매에 충분히 흡수될 수 있도록 30분 이상 빠른 속도로 교반하는 것이 바람직하다.Specifically, after dissolving the dye in the visible light of the above prepared SnP 6+ in distilled water was added to the Nf / Pt-TiO 2 catalyst was strongly stirred by a SnP 6+ absorbed by the Nafion layer of Nf / Pt-TiO 2 surface SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst can be produced. At this time, it is preferable to stir at a high speed for 30 minutes or more so that SnP 6+ , which is a visible light dye, can be sufficiently absorbed by the Nf / Pt-TiO 2 catalyst.

상기 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 중 SnP6+는 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.3~1중량%, 가장 바람직하게는 0.5중량%로 포함되는 것이다. 그 함량이 0.1중량% 미만일 경우에는 빛을 많이 흡수할 수 없어 수소 생산 효율이 미미하며, 10중량%를 초과할 경우에는 염료의 양이 많아져 빛을 많이 흡수할 수 있으나 직접적으로 수소를 생산하게 되는 촉매의 양은 한정적일 수밖에 없어 전자 전달에 한계가 생길 수 있다.The SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst of SnP 6+ is preferably contained at 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the photocatalyst, and more preferably from 0.3 to 1% by weight, most preferably from 0.5 wt. %. When the content is less than 0.1% by weight, the hydrogen production efficiency is insufficient because it can not absorb a lot of light. When the content exceeds 10% by weight, the amount of the dye increases, The amount of the catalyst to be used is limited, which may limit the electron transport.

상기와 같이 제조된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 pH 5 이하 산성의 조건에서 물분해 반응이 진행되던 TiO2와는 달리 전 pH 영역에서의 수소생성이 가능하다. 즉, 본 발명의 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 중성에서의 낮은 수소발생을 나피온 층을 코팅함으로써 극복할 수 있고, 물에 염료를 녹여 사용하는 기존의 물분해 수소생성방법과는 달리 촉매의 표면에 코팅되는 나피온의 양과 나피온 층에 흡착되는 염료의 양의 조절을 통해 수소생성율을 현격히 향상시킬 수 있다.The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared as described above can generate hydrogen in the entire pH range, unlike TiO 2 , which undergoes water decomposition under acidic conditions below pH 5. That is, the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst of the present invention can overcome the problem of low hydrogen generation at neutral by coating the Nafion layer, The hydrogen production rate can be remarkably improved by controlling the amount of nafion coated on the surface of the catalyst and the amount of dye adsorbed on the nafion layer.

또한 본 발명은 상기와 같이 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 물을 포함하는 물분해 수소생성용 조성물을 제공한다.The present invention also provides a composition for producing water-decomposed hydrogen containing SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst and water prepared as described above.

상기 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 물 1.0g/L를 기준으로 1~5g/L의 함량으로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1~2g/L로 포함되는 것이며, 가장 바람직하게는 1.5g/L로 포함되는 것이다. 그 함량이 1g/L 미만일 경우에는 반응 시 사용되는 촉매의 양이 너무 적어 수소 생성 효율이 감소할 수 있으며, 5g/L를 초과할 경우에는 촉매의 양이 너무 많아 촉매간의 가림 현상으로 빛을 제대로 전달받을 수 없어 수소 생성 효율이 감소할 수 있다.The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst is contained in an amount of 1 to 5 g / L, more preferably 1 to 2 g / L, based on 1.0 g / L of water, Preferably 1.5 g / L. When the content is less than 1 g / L, the amount of the catalyst used in the reaction is too small to reduce the hydrogen production efficiency. When the content exceeds 5 g / L, the amount of the catalyst is too large, The hydrogen generation efficiency can be reduced.

상기 수소생성용 조성물은 효율적인 수소생성을 위하여 전자 주게(electron donor) 화합물을 추가로 더 포함할 수 있다. The composition for hydrogen generation may further include an electron donor compound for efficient hydrogen generation.

상기 전자 주게 화합물은 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 메탄올 등의 알코올, 유기산 등이 사용될 수 있다. 그 함량은 광촉매 100중량부에 대하여 50~1,000중량부로 포함될 수 있으며, 50중량부 미만일 경우에는 전자 주게 활동이 약해질 수 있으며, 1,000중량부를 초과할 경우에는 광촉매 표면에 과다하게 흡착되어 촉매의 기능이 저하될 수 있다.The electron donor compound may be ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), alcohol such as methanol, organic acid, or the like. The content of the catalyst may be in the range of 50-1,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the photocatalyst. If the amount is less than 50 parts by weight, the electron donating activity may be weakened. If the amount exceeds 1,000 parts by weight, Can be lowered.

상기 물분해 수소생성용 조성물의 pH는 3~9인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 6~8인 것이다. 상기 조성물의 pH가 3 미만일 경우에는 염료로 사용되는 포르피린이 플로린과 클로린으로 바뀌게 되면서 염료로써의 역할을 상실할 수 있고, 9를 초과할 경우에는 촉매의 표면에 코팅된 나피온 막이 벗겨져 촉매를 잡아주는 역할을 하지 못하여 효율이 감소 할 수 있다. 또한, 상기 수소생성용 조성물은 pH 조절을 위하여 질산, 과염소산, 수산화나트륨 등의 화합물을 첨가할 수도 있다.The pH of the composition for producing hydrogenated hydrogen is preferably 3 to 9, more preferably 6 to 8. When the pH of the composition is less than 3, the porphyrin used as a dye may be replaced with florin and chlorine to lose its role as a dye. If the pH of the composition is more than 9, the Nafion film coated on the surface of the catalyst may be peeled off, The state can not work and efficiency can be reduced. In addition, a compound such as nitric acid, perchloric acid, or sodium hydroxide may be added to the composition for hydrogen generation to control the pH.

또한 본 발명은 상기 수소생성용 조성물에 가스를 공급한 후 광조사하는 단계를 포함하는 물분해에 이한 수소생성방법을 제공하는 바, 상기 수소생성방법은 당업계에서 사용되는 통상의 물분해 방법에 따라 수행될 수 있다.Further, the present invention provides a method for producing hydrogen by water decomposition, which comprises the step of supplying a gas to the composition for hydrogen generation and then irradiating light, wherein the hydrogen generation method is a method of decomposing water by a conventional water decomposition method .

상기 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 가스 등이 공급될 수 있으며, 특히 가격적인 측면에 있어 질소를 사용하는 것이 좋다.The gas may be supplied with nitrogen, argon, helium gas or the like, and it is particularly preferable to use nitrogen in terms of cost.

상기 광조사는 아크 램프(Xe-arc lamp), 할로겐 램프, 고압 수은등, 레이저광, 메탈할로겐 램프, 블랙 램프, 무전극 램프 등을 사용할 수 있다. 또한 자외선을 제거하고 가시광만을 사용하기 위하여 가시광선 필터를 사용하여 파장이 420㎚ 이상인 빛만을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 420~600㎚의 빛을 사용하는 것이다.The light irradiation may be an Xe-arc lamp, a halogen lamp, a high-pressure mercury lamp, a laser beam, a metal halide lamp, a black lamp, an electrodeless lamp, or the like. In addition, in order to remove ultraviolet rays and use only visible light, it is preferable to use only light having a wavelength of 420 nm or more by using a visible light filter, and more preferably, light of 420 to 600 nm is used.

또한 광조사시 열 효과를 제거하기 위해 광원 앞에 냉각장치를 두어 반응온도가 40℃ 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 20~40℃의 온도 범위가 되도록 하는 것이 좋다.Further, in order to remove the thermal effect during light irradiation, a cooling device is placed in front of the light source so that the reaction temperature is preferably 40 ° C or less, more preferably 20 to 40 ° C.

이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. These embodiments are for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of protection of the present invention.

이하 실시예 및 실험예들에서 사용된 재료들은 다음과 같이 구입하여 사용하였다. TiO2 분말(Degussa P25), 나피온(Aldrich사의 알코올 및 물이 혼합된 5wt% 용액), 4-피리딘카르복스알데하이드(Aldrich사), 염화주석(Ⅱ)수화물(JANSSEN), 탄산칼륨(Junsei), 염화백금산(H2PtCl6· 6H2O, Alfa), 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, Junsei), 수소화붕소나트륨(NaBH4, Aldrich), 테트라하이드로퓨란(THF, Junsei), N,N'-dimethylformamide(DMF, Junsei), 피롤(Aldrich), 메탄올(J. T. Baker, HPLC solvent), 디클로로메탄(CH2Cl2, J. T. Baker, HPLC solvent), n-헥산(J. T. Baker, HPLC solvent), 질산(Junsei). 수산화나트륨(Junsei), 초순수는 물정화시스템 (Human Co.)에 의해 준비하였다.The materials used in the following Examples and Experimental Examples were purchased and used as follows. (Aldrich), tin chloride (II) hydrate (JANSSEN), potassium carbonate (Junsei), and the like), a mixture of TiO 2 powder (Degussa P25) and Nafion (Aldrich's alcohol and water mixed 5 wt% , N, N ' , N' -tetramethyluronium hexafluorophosphate (TFA), chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O, Alfa), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA, Junsei), sodium borohydride (NaBH 4 , Aldrich), tetrahydrofuran (JT Baker, HPLC solvent), nitric acid (Junsei), dichloromethane (CH 2 Cl 2 , JT Baker, HPLC solvent), dimethylformamide (DMF, Junsei) ). Sodium hydroxide (Junsei) and ultrapure water were prepared by a water purification system (Human Co.).

또한, TEM(TEM-EDS) 및 S-TEM 이미지는 JEOL/JEM 2100을 사용하여 측정하였으며, 수성 현탁액 중 촉매입자의 제타전위는 electrophoretic light scattering spectrophotometer(ELSZ-2, Otsuka)로 측정하였다. 광흡수 스펙트럼 및 적외선 분광분석 스펙트럼(UV-visible spectra)은 UV-vis 분광광도계(UV-3600, Shimadzu)를 이용하여 측정하였다. 표면 원자 조성은 X-선 광전자 분광법(XPS, ULVAC-PHI/Quantera)에 의해 측정하였으며, 적외선 분광법(FT-IR spectra)은 Bruker/Vertex 80v에서 4000-400 cm-1의 영역에서 측정하였다. 열중량분석(TGA)는 질소 하에서 상온에서 600℃까지 5℃/min 승온속도로 가열하면서 TA Instruments/Auto-TGA Q502를 사용하여 측정하였다. 1H NMR 분광법은 Bruker/AVANCE III 400 Micro Bay spectrometer을 이용하여 측정하였다.In addition, the TEM (TEM-EDS) and S-TEM images were measured using JEOL / JEM 2100, and the zeta potential of the catalyst particles in the aqueous suspension was measured with an electrophoretic light scattering spectrophotometer (ELSZ-2, Otsuka). The light absorption spectra and the UV-visible spectra were measured using a UV-vis spectrophotometer (UV-3600, Shimadzu). Surface atomic composition was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ULVAC-PHI / Quantera) and infrared spectroscopy (FT-IR spectra) was taken at 4000-400 cm -1 in Bruker / Vertex 80v. Thermogravimetric analysis (TGA) was measured using TA Instruments / Auto-TGA Q502 while heating from room temperature to 600 ° C under nitrogen at a heating rate of 5 ° C / min. 1 H NMR spectroscopy was performed using a Bruker / AVANCE III 400 Micro Bay spectrometer.

실시예 1. 가시광 염료인 [Sn(OHExample 1 Synthesis of Visible Light Dye [Sn (OH 22 )) 22 TPyTPy HH P(4)]P (4)] 6+6+ (SnP(SnP 6+6+ ) 제조) Produce

1-1. 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린 제조1-1. Preparation of 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin

정제된 피롤(pyrrole) 0.04mol 및 4-피리딘카르복스알데하이드(4-pyridinecarboxaldehyde) 0.04mol을 프로피온산 250mL에 용해시키고 140℃에서 2시간 동안 환류하며 반응시켰다. 그 다음 프로피온산을 제거한 후 디메틸포름아미드(DMF)에 하루정도 담근 후 필터하여 얻어진 조생성물을 컬럼 크로마토그라피(디클로로메탄 및 메탄올 1/5)를 이용하여 정제하였다. 생성물을 디클로로메탄 및 n-헥산 용액으로 재결정하여 보라색의 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린(5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin, H2TPyP(4))을 얻었다. 0.04 mol of refined pyrrole and 0.04 mol of 4-pyridinecarboxaldehyde were dissolved in 250 mL of propionic acid and reacted at 140 DEG C for 2 hours under reflux. After removing propionic acid, it was immersed in dimethylformamide (DMF) for one day, filtered, and the resulting crude product was purified by column chromatography (dichloromethane and methanol 1/5). The product was recrystallized from a dichloromethane and n-hexane solution to give 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin , 10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin, H 2 TPyP (4)).

상기 제조한 H2TPyP(4)를 1H NMR 분광법을 이용하여 분석한 결과를 도 1에 나타내었다.The results of analysis of the H 2 TPyP (4) prepared above using 1 H NMR spectroscopy are shown in FIG.

도 1에 나타낸 바와 같이, β-피롤릭의 proton peak가 8.8ppm에서 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 피리딘의 2, 6번 위치의 proton peak이 다운필드 이동이 나타나 9.0ppm에서 peak가 나타났으며, 3, 5번 위치의 proton peak의 경우는 8.1ppm에서 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 포르피린 내부에 있는 피롤의 양성자는 -2.9ppm에서 나타남을 확인하였다. 이같은 결과로부터 H2TPyP(4)가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 1, it was confirmed that the proton peak of? -Pyrrolic appeared at 8.8 ppm. In addition, the proton peaks at the 2 and 6 positions of pyridine showed the peak at 9.0 ppm, and the proton peaks at the 3 and 5 positions showed 8.1 ppm. It was also confirmed that the protons of pyrrole in porphyrin appeared at -2.9 ppm. From these results, it was confirmed that H 2 TPyP (4) was successfully synthesized.

Yield : 1.20 g (20%), 1H NMR (400 MHz, CDCl3) : δ 9.05 (d, 8H, Hpy-α), 8.85 (s, 8H, Hβ-pyrrolic), 8.14 (s, 8H, Hpy-β), -2.94 (s, 2H, Hpyrrole) ppm.Yield: 1.20 g (20%) , 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3): δ 9.05 (d, 8H, H py-α), 8.85 (s, 8H, H β-pyrrolic), 8.14 (s, 8H , H py -? ), -2.94 (s, 2H, H pyrrole ) ppm.

1-2. 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ) 제조1-2. Preparation of trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV)

상기 제조한 H2TPyP(4) 1.20g(1.95mmol)을 피리딘 250mL에 용해시키고, 염화주석(Ⅱ)수화물(tin(Ⅱ) chloride dihydrate, SnCl2) 0.873g(3.90mmol)을 첨가하였다. 상기 혼합물을 120℃에서 반응이 종료될 때까지 환류하며 반응시켰다. 이때 반응과정은 박층 크로마토그래피에 의해 모니터링하였다. 10시간 후 잔류물은 디클로로메탄으로 녹이고, 셀라이트를 이용해 필터한 후 디클로로메탄과 n-헥산을 이용하여 재결정하여 보라색 결정의 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(trans-dichloro[5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin]tin(Ⅳ), SnCl2TPyP(4))을 얻었다. 상기 생성물은 필터한 후 차가운 물로 세척하고 진공오븐에서 건조하였다. 1.20 g (1.95 mmol) of the prepared H 2 TPyP (4) was dissolved in 250 mL of pyridine and 0.873 g (3.90 mmol) of tin (II) chloride dihydrate, SnCl 2 was added. The mixture was refluxed and reacted at 120 DEG C until the reaction was completed. The reaction procedure was monitored by thin layer chromatography. After 10 hours, the residue was dissolved in dichloromethane, filtered using celite, and then recrystallized from dichloromethane and n-hexane to obtain a purple crystal of trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis pyridyl) porphyrin] tin (ⅳ) (trans -dichloro [5,10,15,20 -tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (ⅳ), SnCl 2 to give the TPyP (4)). The product was filtered, washed with cold water and dried in a vacuum oven.

상기 제조한 SnCl2TPyP(4)를 1H NMR 분광법을 이용하여 분석한 결과를 도 2에 나타내었다.The results of analysis of the SnCl 2 TPyP (4) prepared above using 1 H NMR spectroscopy are shown in FIG.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 H2TPyP(4)과 비교하여 포르피린 고리 내부에 주석이 들어가 그 영향으로 β-피롤릭의 proton peak가 다운필드 이동된 것을 확인할 수 있었다, 양성자 수 같은 경우에는 8H, 8H, 8H로 비슷한 경향을 가짐을 확인할 수 있었다. 그러나 포르피린 내부에 있는 -2.9ppm에서 나타났던 피롤의 proton peak가 없어진 것으로 보아 내부의 양성자 2개가 없어진 것을 알 수 있었으며, 그 위치에 주석이 치환되었음을 예상할 수 있었고, 이로써 성공적으로 SnCl2TPyP(4)이 합성되었음을 알 수 있었다. As shown in FIG. 2, it was confirmed that the proton peak of β-pyrrolic was shifted downfield by the influence of tin in the porphyrin ring as compared with H 2 TPyP (4). In the case of proton, 8H , 8H and 8H, respectively. However, the absence of proton peaks of pyrrole at -2.9 ppm inside the porphyrin indicated that the two protons inside were lost, and it was predicted that the tin was substituted at that position, and thus SnCl 2 TPyP (4 ) Was synthesized.

Yield : 1.5 g (98%), 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 9.23 (s, 8H, Hβ-pyrrolic), 9.14 (d, 8H, Hpy-α), 8.26 (s, 8H, Hpy-β) ppmYield: 1.5 g (98%) , 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3): δ 9.23 (s, 8H, H β-pyrrolic), 9.14 (d, 8H, H py-α), 8.26 (s, 8H , H py -? ) Ppm

1-3. 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ) 제조1-3. Preparation of trans-dihydroxy [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV)

상기 제조한 SnCl2TPyP(4) 0.9g(1.116mmol)을 테트라하이드로퓨란(THF) 200mL에 녹였다. 상기 용액에 증류수 100mL에 탄산칼륨(K2CO3) 2.28g(17.78mmol)을 녹인 용액을 넣은 후 80℃에서 4시간 동안 환류하며 반응시켰다. 0.9 g (1.116 mmol) of SnCl 2 TPyP (4) prepared above was dissolved in 200 mL of tetrahydrofuran (THF). A solution of 2.28 g (17.78 mmol) of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) in 100 mL of distilled water was added to the solution, and the mixture was reacted at 80 ° C. for 4 hours under reflux.

테트라하이드로퓨란을 제거하기 위하여 상기 반응물을 회전증발농축기를 이용하여 농축시킨 후 냉장상태에서 하루 동안 방치하여 얻어진 보라색 미세결정의 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(trans-dihydroxo[5,10,15,20-tetrakis(4-pyridyl)porphyrin]tin(Ⅳ), Sn(OH)2TPyP(4))을 얻었다. 상기 생성물은 필터한 후 차가운 물로 세척하고 진공오븐에서 건조하였다. The reaction mixture was concentrated using a rotary evaporator to remove tetrahydrofuran, and then allowed to stand in a refrigerator for one day to obtain a purple microcrystalline trans-dihydroxy [5,10,15,20-tetrakis (4- pyridyl) porphyrin] tin (ⅳ) (trans -dihydroxo [5,10,15,20 -tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (ⅳ), Sn (OH) 2 to give a TPyP (4)). The product was filtered, washed with cold water and dried in a vacuum oven.

상기 제조한 Sn(OH)2TPyP(4)를 1H NMR 분광법을 이용하여 분석한 결과를 도 3에 나타내었다.The results of analysis of the Sn (OH) 2 TPyP (4) prepared above using 1 H NMR spectroscopy are shown in FIG.

도 3에 나타낸 바와 같이, 주석 원자에 축방향으로 배위된 OH의 양성자가 포르피린 리간드의 환상 전류(ring current)의 영향을 받아 up field 영역인 -7.4ppm에서 나타남을 확인할 수 있었으며, 이로써 주석의 축방향에 OH기가 성공적으로 치환되었음을 알 수 있었다. 또한 β-피롤릭과 피리딘의 2, 6번 및 3, 5번 위치의 양성자가 8H, 8H, 8H로 나타난 걸로 보아 포르피린 구조라는 것도 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, it was confirmed that the proton of OH coordinated to the tin atom was affected by the ring current of the porphyrin ligand and appeared at -7.4 ppm, which is the up field region. As a result, Direction was successfully replaced by OH groups. It was also confirmed that the protons at positions 2, 6 and 3, 5 of β-pyrrolic and pyridine were 8H, 8H and 8H, indicating porphyrin structure.

Yield : 0.46 g (79%), 1H NMR (400 MHz, CDCl3) : δ 9.15 (s. 8H, Hβ-pyrrolic), 9.12 (d, 8H, Hpy-α), 8.26 (s, 8H, Hpy-β) ppm.Yield: 0.46 g (79%) , 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3): δ 9.15 (s 8H, H β-pyrrolic.), 9.12 (d, 8H, H py-α), 8.26 (s, 8H , H py -? ) Ppm.

1-4. [Sn(OH1-4. [Sn (OH 22 )) 22 TPyTPy HH P(4)]P (4)] 6+6+ 제조 Produce

상기 제조한 Sn(OH)2TPyP(4) 385㎎(0.5mmol)을 5mL의 1% 질산 수용액에 녹인 후, 50mL의 아세톤을 층형성(layering)을 한 후 3일 동안 방치하여 보라색 결정의 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)을 얻었다. 상기 생성물은 필터한 후 차가운 물로 세척하고 진공오븐에서 건조하였다. 385 mg (0.5 mmol) of Sn (OH) 2 TPyP (4) prepared above was dissolved in 5 mL of 1% nitric acid aqueous solution, and then 50 mL of acetone was layered and left for 3 days to obtain [ Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4)] 6+ (SnP 6+ ). The product was filtered, washed with cold water and dried in a vacuum oven.

상기 제조한 Sn(OH2)2TPyHP(4)(SnP6+)를 1H NMR 분광법을 이용하여 분석한 결과를 도 4에 나타내었다.The result of analysis of the Sn (OH 2 ) 2 TPy H P (4) (SnP 6+ ) prepared above by 1 H NMR spectroscopy is shown in FIG.

도 4에 나타낸 바와 같이, SnP6+는 앞에서 합성한 포르피린과 같은 β-피롤릭과 피리딘의 2, 6번 및 3, 5번 위치의 양성자가 8H, 8H, 8H로 나타남을 확인할 수 있었으며, 앞서 합성한 Sn(OH)2TPyP(4)와 큰 차이를 보여주지는 않았다. As shown in Figure 4, SnP 6+ There was a blood β- rolrik and 2, 6 and 3, protons of one 5-position of the pyridine such as a synthetic porphyrin can check the front to appear 8H, 8H, 8H, prior But did not show a large difference from the synthesized Sn (OH) 2 TPyP (4).

Sn(OH)2TPyP(4)는 증류수에 녹지 않았으나, SnP6+는 H2O에서 양성자가 중수소(deuterium)로 치환된 D2O에 녹는 모습을 확인할 수 있었다. 또한 피리딘의 2, 6번 위치의 양성자의 벗겨짐 현상이 약해져, 기존보다는 약한 다운필드 이동을 보여주었으며 β-피롤릭 c 위치의 양성자와의 거리가 멀어진 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 SnP6+가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있었다. Sn (OH) 2 TPyP (4) did not dissolve in distilled water, but SnP 6+ was found to dissolve in D 2 O, where protons were replaced with deuterium in H 2 O. In addition, peeling of the proton at positions 2 and 6 of pyridine was weakened, indicating weaker down-field shift than before, and distance from the proton at the β-pyrrolic c position was distanced, indicating that SnP 6+ was successful Was synthesized.

Yield : 370.0 mg (95%), 1H NMR (400 MHz, D2O) : δ 9.55 (s. 8H, Hβ-pyrrolic), 9.32 (d, 8H, Hpy-α), 8.94 (s, 8H, Hpy-β) ppm.Yield: 370.0 mg (95%) , 1 H NMR (400 MHz, D 2 O): δ 9.55 (s 8H, H β-pyrrolic.), 9.32 (d, 8H, H py-α), 8.94 (s, 8H, H py-B ) ppm.

실험예 1. SnPExperimental Example 1. SnP 6+6+ 의 흡광도 측정Absorbance measurement

상기 실시예 1에서 제조한 SnP6+가 가시광 영역의 빛을 흡수하는지를 확인하기 위하여 SnP6+를 증류수에 녹인 후 UV-vis 분광광도계(UV-3600, Shimadzu)로 흡광도를 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.To confirm whether SnP 6+ prepared in Example 1 absorbs light in the visible light region, SnP 6+ was dissolved in distilled water, and the absorbance was measured with a UV-vis spectrophotometer (UV-3600, Shimadzu) 5.

도 5에 나타낸 바와 같이, 414㎚에서 포르피린 화합물이 가지는 가장 큰 특징인 소레트 밴드(soret band)가 나타남을 확인할 수 있었고, 550㎚, 588㎚ 및 623㎚ 영역에서 소레트보다는 작은 흡광을 보이는 Q-밴드를 확인할 수 있었다. 이같은 결과를 통하여, 상기 실시예 1에서 제조한 SnP6+의 가시광 영역에서 흡광을 확인하였고, 합성된 염료가 물분해 가시광 염료로 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 5, it was confirmed that the soret band, which is the most characteristic feature of the porphyrin compound, appears at 414 nm, and it was confirmed that the sorptive band at 550 nm, 588 nm, and 623 nm - I was able to identify the band. From these results, it was confirmed that the light absorption was observed in the visible light region of SnP 6+ prepared in Example 1, and that the synthesized dye could be used as a water-decomposable visible light dye.

실시예 2. Nf/Pt-TiOExample 2. Nf / Pt-TiO 22 제조 Produce

2-1. 플라티늄(Pt)이 로딩된 TiO2-1. Platinum (Pt) loaded TiO 22 제조(Pt-TiO Preparation (Pt-TiO 22 ) 제조) Produce

TiO2 표면에 플라티늄의 로딩은 화학적 환원법에 의해 수행하였다. 먼저, TiO2 분말(직경 약 20㎚) 0.5g을 200mL의 0.1M 염화백금산(H2PtCl6· H2O) 수용액에 2시간 동안 함침시키고, 2시간 동안 계속하여 교반하였다. 그 다음, 상기 반응액에 NaBH4(0.1mM NaBH4 in methanol)을 빠르게 첨가하고 계속하여 2시간 동안 교반하였다. 반응에 따라 플라티늄이 로딩된 TiO2의 색이 흰색에서 검정색으로 변화하였다. 분말은 증류수로 세척하고, 현탁액을 원심분리 및 필터하여 얻어진 잔류물을 80℃에서 건조하여 Pt-TiO2 분말 0.512g을 얻었다. Loading of platinum on the TiO 2 surface was performed by chemical reduction. First, 0.5 g of TiO 2 powder (diameter: about 20 nm) was impregnated in 200 mL of an aqueous solution of 0.1 M chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .H 2 O) for 2 hours, and stirring was continued for 2 hours. Then, NaBH 4 (0.1 mM NaBH 4 in methanol) was rapidly added to the reaction solution, followed by stirring for 2 hours. The color of platinum-loaded TiO 2 changed from white to black depending on the reaction. The powder was washed with distilled water, the suspension was centrifuged and filtered, and the obtained residue was dried at 80 캜 to obtain 0.512 g of Pt-TiO 2 powder.

2-2. 나피온층이 형성된 촉매(Nf/Pt-TiO2-2. The Nafion layer formed catalyst (Nf / Pt-TiO 22 ) 제조) Produce

상기 제조한 Pt-TiO2 분말 0.1g을 나피온 용액 0.1mL에 넣어 혼합한 후 90℃에서 10분간 건조하여 Nf/Pt-TiO2 분말 0.125g을 얻었다. 0.1 g of the prepared Pt-TiO 2 powder was added to 0.1 ml of Nafion solution, and the mixture was dried at 90 ° C for 10 minutes to obtain 0.125 g of Nf / Pt-TiO 2 powder.

실험예 2. Nf/Pt-TiOExperimental Example 2. Nf / Pt-TiO 22 촉매의 구조 분석 Structure analysis of catalyst

상기 실시예 2에서 제조한 Pt-TiO2 및 Nf/Pt-TiO2의 구조를 TEM, TEM-EDS, XPS, FT-IR을 이용하여 분석하였다. The structures of Pt-TiO 2 and Nf / Pt-TiO 2 prepared in Example 2 were analyzed using TEM, TEM-EDS, XPS and FT-IR.

먼저, Pt-TiO2 촉매는 TEM을 이용하여 확인하였고, TEM-EDS를 이용하여 플라티늄이 제대로 로딩되었는지 확인하고, 그 결과를 도6에 나타내었다. 또한, Nf/Pt-TiO2 촉매를 TEM-EDS, XPS 및 FT-IR을 이용하여 분석한 결과를 도 7 내지 9에 나타내었다. First, the Pt-TiO 2 catalyst was confirmed by TEM, and it was confirmed whether or not the platinum was properly loaded by TEM-EDS, and the result is shown in FIG. The results of analysis of the Nf / Pt-TiO 2 catalyst using TEM-EDS, XPS and FT-IR are shown in FIGS.

도 6a의 TEM 이미지에서 회색의 둥근 형태를 가진 것이 TiO2 입자이고, TiO2 표면에 검은 점으로 보이는 플라티늄 입자가 로딩되었음을 확인할 수 있었다. 도 6b의 EDS 이미지는 Pt-TiO2 촉매의 원소 분석 결과를 보여주는 것으로, 플라티늄이 TiO2 표면에 존재함을 보여주는 것으로, 이를 통해 Pt-TiO2 촉매가 합성되었음을 확인할 수 있었다. 또한 도 6c의 S-TEM 이미지를 통해서 Ti, Pt 및 O의 직접적인 분포도를 확인할 수 있었다.In the TEM image of FIG. 6A, it was confirmed that the TiO 2 particles having a gray round shape were loaded with platinum particles, which are black dots on the TiO 2 surface. The EDS image of FIG. 6B shows the elemental analysis results of the Pt-TiO 2 catalyst, indicating that platinum is present on the TiO 2 surface, indicating that the Pt-TiO 2 catalyst was synthesized. Also, the direct distribution of Ti, Pt and O can be confirmed through the S-TEM image of FIG. 6C.

도 7a의 TEM 이미지에서 TiO2 입자와 플라티늄 입자를 확인할 수 있었다. 두 개의 붉은색 화살표 사이가 나피온 층으로 격자로 나타나는 TiO2 입자 표면에 얇은 막이 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 도 7b의 EDS 결과를 통해서 TiO2 입자의 티타늄 및 산소, 플라티늄 입자의 플라티늄, 그리고 나피온을 구성하고 있는 원소인 플루오린 및 황을 확인할 수 있었다.TiO 2 particles and platinum particles can be identified in the TEM image of FIG. 7A. It was confirmed that a thin film was coated on the surface of the TiO 2 particle which appeared as a lattice between the two red arrows. Also, the results of the EDS in FIG. 7 (b) confirmed that titanium and oxygen of TiO 2 particles, platinum of platinum particles, and fluorine and sulfur, which constitute Nafion, can be identified.

또한 XPS를 통하여 Nf/Pt-TiO2를 구성하는 원소의 존재 유무를 확인한 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이 나피온 층이 형성된 Nf/Pt-TiO2(붉은 선) 및 TiO2(검은 선)의 기본이 되는 티타늄의 Ti 2p1/2이 464eV에서 Ti 2p3/2이 45 eV에서 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 나피온의 주성분인 플루오린의 1s가 687eV에서 나타난 것을 Nf/Pt-TiO2에서 확인할 수 있었다. 반면, 대조군으로 사용된 일반적인 TiO2에서는 플루오린이 검출되지 않았으며, 이를 통하여 상기 실시예 2에서 제조한 Nf/Pt-TiO2에는 나피온 층이 존재함을 확인할 수 있었다. As a result of the presence of elements constituting Nf / Pt-TiO 2 through XPS, the presence of Nf / Pt-TiO 2 (red line) and TiO 2 (black line) It was confirmed that Ti 2p 1/2 of the basic titanium is 464 eV and Ti 2p 3/2 is 45 eV. It was also confirmed that Nf / Pt-TiO 2 showed 1s of fluorine, which is the main component of Nafion, at 687eV. On the other hand, fluorine was not detected in the general TiO 2 used as a control, and it was confirmed that the Nafion layer was present in the Nf / Pt-TiO 2 prepared in Example 2.

상기 나피온 층의 존재여부를 더 확실하게 검증하기 위하여 FT-IR을 이용하여 분석한 결과는 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타낸 바와 같이 나피온 층이 형성된 Nf/Pt-TiO2(붉은 선)의 1239㎝-1에서 C-F의 진동이 나타났으나, TiO2(검은 선)에서는 확인되지 않았다. 또한, Nf/Pt-TiO2 및 TiO2 모두 728㎝-1에서 Ti-O의 진동을 관찰할 수 있었다. 상기와 같은 결과를 통하여 나피온의 코팅 전후 나피온 코팅 전후의 상태를 비교할 수 있었으며, 결과적으로 Nf/Pt-TiO2에 나피온의 기본 구성 물질인 플루오린이 존재하는 것으로 보아 Pt-TiO2에 나피온 층이 성공적으로 형성되었음을 확인할 수 있었다.The results of analysis using FT-IR to more clearly verify the presence of the Nafion layer are shown in FIG. As shown in Fig. 9, CF vibration was observed at 1,239 cm -1 of Nf / Pt-TiO 2 (red line) in which the Nafion layer was formed, but not in TiO 2 (black line). In addition, Ti-O vibrations were observed at 728 cm -1 in both Nf / Pt-TiO 2 and TiO 2 . Through the results as described above were able to compare the conditions before and after the before and after the Nafion coating coating of Nafion, to consequently Nf / Pt-TiO 2 Nafion basic constituents of fluoro children exist as viewed Pt-TiO 2, which of the I It was confirmed that the Pion layer was successfully formed.

실시예 3. SnPExample 3. SnP 6+6+ /Nf/Pt-TiO/ Nf / Pt-TiO 22 광촉매 제조 Photocatalyst manufacturing

상기 실시예 2에서 제조한 Nf/Pt-TiO2 촉매에 실시예 1에서 제조한 SnP6+를 증류수에 녹여준 후 가해주었다. 촉매의 경우 나피온이 코팅되어 가라앉지 않고 증류수 표면에 떠다니기 때문에 균일한 혼합을 위하여 강하게 교반시켜 Nf/Pt-TiO2 촉매의 표면에 형성된 나피온 층에 SnP6+를 흡착하도록 하였다. 상기 반응액을 원심분리 및 건조시켜 용액을 완전히 제거하고, 가시광 염료인 SnP6+가 흡수된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 수득하였다. The SnP 6+ prepared in Example 1 was dissolved in distilled water and added to the Nf / Pt-TiO 2 catalyst prepared in Example 2. In the case of the catalyst, since Nafion was not coated and floated on the surface of the distilled water, the Nafion layer formed on the surface of the Nf / Pt-TiO 2 catalyst was strongly adsorbed to uniformly mix SnP 6+ . The reaction solution was centrifuged and dried to completely remove the solution to obtain a SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst in which SnP 6+ as a visible light dye was absorbed.

가시광 염료인 SnP6+의 흡수정도를 확인하기 위하여, UV-vis 분광기를 이용하여 SnP6+가 일정한 농도에 녹아 있는 용액에 Nf/Pt-TiO2 촉매를 가한 후 빛을 완전히 차단시킨 환경에서 5분 간격으로 용액의 스펙트럼을 확인하였다. 그 결과는 도 10에 나타내었다. In order to confirm the degree of absorption of SnP 6+ as a visible light dye, Nf / Pt-TiO 2 catalyst was added to a solution in which SnP 6+ was dissolved at a constant concentration using a UV-vis spectrometer. The spectrum of the solution was confirmed at intervals of minutes. The results are shown in Fig.

도 10에 나타낸 바와 같이, 나피온 층이 형성된 Nf/Pt-TiO2 촉매(a)는 시간이 지남에 따라 점점 용액이 투명해지면서 염료의 소레트 밴드가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 대조군으로 같은 조건에서 실험을 한 TiO2 촉매는 시각적으로 용액의 색깔이 처음과 변함이 없는 상태였으며, 소레트 밴드 역시 그대로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 염료가 줄어드는 정도를 소레트 밴드를 기준으로 그래프로 표현하여 도 11에 나타내었다. As shown in FIG. 10, the Nf / Pt-TiO 2 catalyst (a) in which the Nafion layer was formed showed that the solution became transparent and the sieve band of the dye gradually decreased with time. On the other hand, the TiO 2 catalyst, which was tested under the same conditions as the control group, visually showed that the color of the solution was unchanged from the beginning, and that the sorret band appeared as it was. The degree of reduction of the dye is represented by a graph based on the sirt band and is shown in Fig.

도 11에 나타낸 바와 같이 5분까지 빠른 속도로 염료가 흡수되었으며, 5분 후로는 흡수되는 속도가 느려지긴 하였으나 25분정도에 거의 완전히 흡수가 되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 하여 실제 물분해 실험에서 빛을 완전히 차단하여 반응시키는 시간을 30분 이상으로 잡아서 염료가 촉매에 완전히 흡수가 될 수 있도록 충분히 교반시키도록 하였다. As shown in FIG. 11, the dye was absorbed at a high rate up to 5 minutes, and the absorption rate was slowed after 5 minutes, but it was almost completely absorbed in about 25 minutes. Based on these results, the time required for completely blocking the light in the actual water decomposition experiment was set to 30 minutes or longer, and the dye was sufficiently stirred so as to be completely absorbed into the catalyst.

실험예 3. SnPExperimental Example 3: SnP 6+6+ /Nf/Pt-TiO/ Nf / Pt-TiO 22 광촉매의 염료 특성 Dye characteristics of photocatalyst

3-1. 반사율3-1. reflectivity

상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 분말의 반사율을 측정한 후 Kubelka-Munk theory를 이용하여 반사 스펙트럼을 흡수 스펙트럼으로 변환하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다. 이때, 대조군으로 일반적인 TiO2 촉매와 나피온이 코팅된 TiO2(Nf/TiO2)을 사용하였다. The reflectance of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst powder prepared in Example 3 was measured and then the reflection spectrum was converted into an absorption spectrum using the Kubelka-Munk theory. The results are shown in FIG. At this time, a general TiO 2 catalyst and Nafion coated TiO 2 (Nf / TiO 2 ) were used as a control group.

실험결과 도 12에 나타낸 바와 같이, Nf/TiO2 및 TiO2의 경우, 가시광 영역에서는 특별한 반응을 보이지 않고 400㎚ 미만의 자외선 영역에서만 흡광을 보였다. 그리고 300~350㎚ 사이에서 촉매에 코팅된 나피온 층에 의한 산란으로 약간의 노이즈가 발견되었다. 반면, 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2은 가시광 영역에서 흡광을 보여주었다. 특히, 414㎚, 511㎚, 550㎚ 및 588㎚ 영역에서 피크가 나타났으며, 이 피크는 흡수가 된 가시광 염료인 SnP6+의 흡광 피크와 동일한 위치였다. 이같은 결과로부터, 가시광 염료인 SnP6+가 Nf/Pt-TiO2 촉매에 흡수가 잘되었다는 것을 알 수 있었다. Experimental results As shown in Fig. 12, in the case of Nf / TiO 2 and TiO 2 , no particular reaction was observed in the visible light region, and only the ultraviolet region of less than 400 nm showed absorption. A slight noise was found due to scattering by the Nafion layer coated on the catalyst between 300 and 350 nm. On the other hand, SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 prepared in Example 3 showed absorption in the visible light region. In particular, peaks appeared in the 414 nm, 511 nm, 550 nm and 588 nm regions, and these peaks were at the same positions as the absorption peaks of the absorbed visible light dyes SnP 6+ . From these results, it was found that the visible light dye SnP 6+ was well absorbed into the Nf / Pt-TiO 2 catalyst.

3-2. 표면극성3-2. Surface polarity

상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 표면의 극성을 알아보고 메인으로 쓰이는 용액인 증류수에서 어느 정도의 이동성을 가지는가를 알아보기 위하여 zeta potential을 이용하여 표면극성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.To investigate the polarity of the surface of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3 and to determine the degree of mobility in distilled water as a main solution, the surface polarity was measured using zeta potential And the results are shown in Table 1 below.

촉매catalyst pHpH TiO2 TiO 2 SnP6+/TiO2 SnP 6+ / TiO 2 Nf/TiO2 Nf / TiO 2 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 Zeta potential
(mV)
Zeta potential
(mV)
77 -8.8-8.8 -14.5-14.5 -28.5-28.5 20.920.9

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 염료가 제대로 흡착이 되지 못한 SnP6+/TiO2의 경우에는 TiO2의 극성인 (-)로 변함이 없이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 3에서 제조한 가시광 염료의 흡착이 완료된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2의 경우에는 극성이 바뀌어 염료의 극성인 (+)로 나타남을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, it can be seen that SnP 6 + / TiO 2 , which is not adsorbed properly, does not change to the negative polarity of TiO 2 . On the other hand, in the case of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 adsorbed in the visible light dye prepared in Example 3, the polarity was reversed and the polarity of the dye was (+).

3-3. TGA3-3. TGA

상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매에 어느 정도의 염료가 흡수가 되었는지를 확인하기 위하여, 온도를 높여가면서 유기물을 태워 그 양을 측정하는 TGA를 이용하여 측정하였다. 시료 준비 시 염료 흡착양의 최대치를 확인하기 위하여 과량의 염료를 녹인 용액에 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 촉매를 넣고 충분한 시간을 흡착시킨 후 분석을 진행하였다. 그 결과는 도 13에 나타내었다.In order to confirm how much dye was absorbed into the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3, the organic material was burned while increasing the temperature, and the amount of the dye was measured using TGA . In order to determine the maximum amount of dye adsorption during the preparation of the sample, SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 catalyst was added to the solution in which excess dye was dissolved, and sufficient time was adsorbed for analysis. The results are shown in Fig.

도 13에 나타낸 바와 같이, 가시광 염료인 SnP6+는 150℃부터 급격하게 감소하고 600℃까지 꾸준하게 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 2번에 걸쳐 급격한 기울기가 나타나는데, 처음 150℃까지는 포르피린에 남아있던 수분이 감소하게 되고, 350℃에서 포르피린이 감소하기 시작하기 때문이었다. 또한 나피온은 수분이 점점 없어지다가 300℃에서 급격히 분해되기 시작함을 확인할 수 있었고, 500℃에서 97중량%까지 줄어듬을 확인할 수 있었다. 또한, 나피온이 코팅된 촉매(Nf/TiO2)에서도 동일하게 300℃부분에서 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 염료가 흡수되지 않은 Nf/TiO2에서는 나피온이 완전히 없어졌다고 예상되는 600℃까지 가열하였을 때 6중량%의 감소를 보였으며, 실시예 3의 SnP6+/Nf/TiO2는 260~310℃는 나피온과 염료가 같이 분해가 되는 구간이고, 그 후 나피온의 지속적인 감소에 의하여 9중량%까지 줄어듦을 확인할 수 있었다. 이같은 결과를 비교하였을 때 상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매에 흡수된 가시광 염료인 SnP6+의 양은 3중량% 정도임을 알 수 있었다. As shown in FIG. 13, it was confirmed that SnP 6+, which is a visible light dye, sharply decreased from 150 ° C and steadily decreased to 600 ° C. In addition, a steep slope was observed at two times because the amount of water remaining in the porphyrin decreased until the first 150 ° C and porphyrin began to decrease at 350 ° C. In addition, it was confirmed that the Nafion started to decompose rapidly at 300 ° C, while the moisture gradually disappeared, and it was confirmed that it decreased to 97% by weight at 500 ° C. Also, it was observed that the Nafion-coated catalyst (Nf / TiO 2 ) also decreased at 300 ° C. In the case of Nf / TiO 2 in which no dye was absorbed, the amount of SnP 6 + / Nf / TiO 2 of Example 3 decreased by 260 wt% Is a region where naphion and dye are decomposed together, and then it is confirmed that the amount of naphion is reduced to 9 wt% by the continuous decrease of naphion. When the results are compared, it was found that the amount of SnP 6 + as a visible light dye absorbed in the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3 was about 3 wt%.

3-4. TEM-EDS3-4. TEM-EDS

상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 TEM-EDS를 통해 측정하고 그 결과를 도 14에 나타내었다. The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3 was measured by TEM-EDS and the results are shown in FIG.

도 14에 나타낸 바와 같이 TiO2 입자와 플라티늄 입자는 육안으로 확인할 수 있었고, 입자 주변에 코팅된 투명한 막(나피온 층)을 확인할 수 있었다(도 14의 좌측). 나피온 층과 SnP6+를 확인하기 위해 EDS를 이용하여 확인한 결과 도 14 우측에 나타낸 바와 같이, 기존에 확인한 EDS보다 많은 양의 플루오린과 황을 확인할 수 있었다. 그리고 Ti와 주석 포르피린의 주석 또한 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 14, the TiO 2 particles and the platinum particles could be confirmed visually, and a transparent film (Nafion layer) coated on the periphery of the particles could be confirmed (left side in FIG. 14). As a result of confirming the Nafion layer and SnP 6+ using EDS, as shown in the right side of FIG. 14, it was confirmed that the amount of fluorine and sulfur was larger than the previously confirmed EDS. And tin of Ti and tin porphyrin.

이상과 같은 결과를 통하여, 상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 표면에 나피온 층이 형성되었고, 형성된 나피온 층 안에 주석 포르피린이 존재함을 알 수 있었다. From the above results, it was found that the Nafion layer was formed on the surface of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3, and tin porphyrin was present in the formed Nafion layer.

실시예 4. 물분해 수소생성용 조성물 제조Example 4. Preparation of water-decomposable hydrogen production composition

상기 실시예 3에서 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 0.075g을 증류수 5mL에 첨가하였다. 여기에 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA) 1mM을 첨가한 후 교반하여 물분해 수소생성용 조성물을 제조하였다.0.075 g of the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared in Example 3 was added to 5 mL of distilled water. 1 mM of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) was added thereto, followed by stirring to prepare a composition for producing water-decomposed hydrogen.

실험예 4. 물분해 시험Experimental example 4. Water decomposition test

상기 실시예 4의 수소생성용 조성물을 이용하여 물분해 시험을 실시하였다. 물분해 시험 시 가시광 염료의 양, 촉매의 양, 촉매의 안정성을 다음과 같이 평가하였다. A water decomposition test was conducted using the composition for hydrogen generation of Example 4 above. The amount of visible light dye, the amount of catalyst, and the stability of the catalyst in the water decomposition test were evaluated as follows.

4-1. 염료의 양4-1. Amount of dye

상기 실시예 4의 수소생성용 조성물에 사용된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 중 염료의 양을 조절하면서 물분해 시험을 실시하였다. 먼저, 증류수 5mL를 기준으로 동일한 양의 EDTA(1mM) 및 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매(2.0g/L)를 사용하여 실험하였다. 이때, SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매에 흡수된 가시광 염료인 SnP6+의 양을 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1mM으로 조절하며 수소생성 정도를 확인하였다. 그 결과를 도 15에 나타내었다. The water decomposition test was conducted while adjusting the amount of the dye in the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst used in the composition for hydrogen generation in Example 4. First, the same amount of EDTA (1 mM) and SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst (2.0 g / L) were tested on the basis of 5 mL of distilled water. At this time, the amount of SnP 6 + , a visible light dye absorbed in the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst, was controlled to 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1 mM and the degree of hydrogen production was confirmed. The results are shown in Fig.

도 15에 나타낸 바와 같이, 가시광 염료의 양이 0.1mM에서 100μmol로 가장 우수한 수소생성을 보였으며, 0.5mM에서 68μmol의 수소생성을 나타내었다. 반면, 가장 많은 염료가 흡수된 1mM에서 120분 기준으로 20μmol의 수소생성을 나타내었다. 따라서 이하에서는 가시광 염료의 양을 0.1mM로 하여 실험을 진행하였다. As shown in FIG. 15, the amount of visible light showed the best hydrogen production from 0.1 mM to 100 μmol, and showed hydrogen production from 0.5 mM to 68 μmol. On the other hand, 20mol of hydrogen was produced on the basis of 120mins at 1mM at which the most dye was absorbed. Therefore, the following experiment was carried out with the amount of visible light dye being 0.1 mM.

4-2. 촉매의 양4-2. Amount of catalyst

상기 실시예 4의 수소생성용 조성물에 사용된 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 양을 조절하면서 물분해 시험을 실시하였다. 먼저, 증류수 5mL를 기준으로 동일한 양의 EDTA(1mM)와 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 2.0g/L, 1.5g/L, 1.0g/L로 그 양을 달리하여 실험하였다. 이때, SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매에 흡수된 가시광 염료인 SnP6+의 양은 0.1mM으로 하였다. 120분 정도 물분해 반응을 시키면서 일정한 간격으로 GC를 통하여 분석하였으며, 그 결과는 도 16에 나타내었다. A water decomposition test was conducted while controlling the amount of SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst used in the composition for hydrogen generation of Example 4. First, the same amounts of EDTA (1 mM) and SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalysts were tested at different concentrations of 2.0 g / L, 1.5 g / L and 1.0 g / L based on 5 mL of distilled water. At this time, the amount of SnP 6+ as a visible light dye absorbed in the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst was 0.1 mM. The water was decomposed for 120 minutes and analyzed by GC at regular intervals. The results are shown in FIG.

도 16에 나타낸 바와 같이, SnP6+/Nf/Pt-TiO2를 1.0 g/L로 사용한 경우 120분 동안 52μmol의 수소를 생성하였으며, 1.5g/L로 사용한 경우에는 193 μmol, 2.0g/L로 사용한 경우에는 100μmol의 수소를 생산하였다. 이같은 결과는 앞서 가시광 염료의 양을 달리하여 실험한 결과와 마찬가지로 촉매의 양이 많으면 용액이 불투명해지고, 촉매끼리의 가림현상으로 인해 염료가 빛을 제대로 흡수하지 못하게 되고, 이로 인한 전자 전달의 효율 또한 떨어지기 때문임을 알 수 있었다.As shown in FIG. 16, when 1.0 g / L of SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 was used, 52 μmol of hydrogen was produced in 120 minutes, and when it was used at 1.5 g / L, 193 μmol and 2.0 g / Hydrogen peroxide was produced. These results indicate that the amount of the catalyst becomes opaque when the amount of the catalyst is increased and the dye can not properly absorb the light due to the occlusion of the catalysts, It is because it falls.

4-3. 촉매의 안정성4-3. Stability of catalyst

상기 실시예 4의 수소생성용 조성물을 이용한 수소생성 시 효율성을 측정하기 위하여, 과량의 EDTA를 녹인 용액을 사용하여 수소가 어느 시점까지 발생하는지를 측정하고, 그 결과를 도 17에 나타내었다.In order to measure the efficiency of hydrogen production using the composition for hydrogen generation of Example 4, the extent to which hydrogen was generated was measured using a solution in which excess EDTA was dissolved, and the results are shown in FIG.

도 17에 나타낸 바와 같이, 빛을 가한 후 75분 후 최고의 수소발생을 보여주었으며 그 이후론 하락함을 확인할 수 있었다. 그 뒤 생성된 수소가스를 완전히 제거시키기 위하여 질소 주입을 1시간 동안 실시한 후 다시 빛을 조사하였으며, 그 결과 135분 정도 수소가 다시 생산되다 다시 정체현상을 보였으며, 질소를 1시간 동안 더 주입한 뒤 재측정을 하였으나 이후로는 수소가 더 이상 발생되지 않았다. 이같은 결과는 포르피린이 pH 3 정도에서 클로린으로 변환되는 특성으로 더 이상 반응이 진행되지 못하기 때문으로, 다음에서는 pH effect를 고려하여 클로린으로 변환되지 않는 pH 9 환경에서 10시간동안 20분 간격으로 수소생성을 확인하였다. As shown in Fig. 17, it was confirmed that the hydrogen generation was the best after 75 minutes from the application of light, and thereafter, the hydrogen production was decreased. In order to completely remove the generated hydrogen gas, nitrogen was injected for 1 hour, and then light was again irradiated. As a result, hydrogen was again produced for 135 minutes and then stagnated again. Nitrogen was further injected for 1 hour After the remeasurement, hydrogen was no longer produced. This result is due to the fact that the porphyrin is converted into chlorine at pH 3, and the reaction does not progress anymore. In the next step, hydrogen Production was confirmed.

그 결과 도 18에 나타낸 바와 같이, 염료가 일정하게 유지될 경우 10시간 동안 꾸준하게 수소생성 양이 증가함을 확인할 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 18, it was confirmed that when the dye was kept constant, the hydrogen production amount was steadily increased for 10 hours.

실험예 5. pH에 따른 수소생성율 측정Experimental Example 5. Measurement of Hydrogen Production Rate by pH

포르피린이 EDTA와 반응하여 물분해 과정에서 생성되는 수소이온과 반응을 하여 플로린과 클로린으로 변화하며, 이때 생성된 플로린은 촉매의 플라티늄과 반응하여 수소를 생산하게 된다. 플로린은 반응을 통하여 수소생산 후 포르피린으로 다시 변환되지만 클로린은 반응을 하지 않고 다시 포르피린의 형태로 되돌아가지 않는다. 클로린이 생산되면서 전자를 전달하지 못하고 반응이 종료된다. 즉, 용액 중 클로린이 늘어남에 따라 포르피린이 줄어들게 되고 염료의 역할을 하지 못하게 된다. The porphyrin reacts with EDTA and reacts with the hydrogen ion generated in the water decomposition process to convert into florin and chlorine, and the generated florin reacts with platinum of the catalyst to produce hydrogen. Florin is converted back into porphyrin after hydrogen production through the reaction, but chlorine does not react and does not return to the form of porphyrin again. As the chlorine is produced, it fails to transfer electrons and the reaction is terminated. That is, as the chlorine in the solution increases, the porphyrin is reduced and the dye does not function.

이에 물분해 반응 시 pH 변화에 따른 포르피린 염료의 변화를 확인하기 위하여, EDTA의 양을 일정하게 유지시킨 상태에서 pH를 4, 7, 9로 일정하게 유지시킨 후 72시간 동안 방치하고, pH 별 염료의 변화를 UV-vis 스펙트럼으로 확인하였다. 이때, pH를 일정하게 유지하기 위하여 pH 4, 7, 9에 해당하는 버퍼용액을 만들어 사용하였다. In order to confirm the change of porphyrin dye according to the pH change during the water decomposition reaction, the pH was kept constant at 4, 7, 9 in a state where the EDTA amount was kept constant and then left for 72 hours. Was confirmed by the UV-vis spectrum. At this time, to maintain the pH constant, a buffer solution corresponding to pH 4, 7, or 9 was prepared.

도 19에 나타낸 바와 같이, 약산상태인 pH 3과 pH 4 상태의 용액은 클로린의 색인 녹색을 띄었으며, 중성상태인 pH 7과 약염기상태인 pH 9에서는 포르피린의 색인 보라색을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 pH 5 이상에서 포르피린이 클로린과 플로린으로 변하지 않는다는 기존의 자료와 일치하는 결과였다. As shown in Fig. 19, the solutions in pH 3 and pH 4, which were in the weak acid state, showed green color of chlorine, and in the neutral pH 7 and pH 9, the purine color of porphyrin was maintained there was. This is consistent with previous data that porphyrin does not change to chlorine and florine at pH> 5.

상기 결과의 용액을 UV-vis 스펙트럼을 이용하여 측정하였으며, 그 결과 도 20에 나타낸 바와 같이 pH 7과 pH 9는 시작 시 측정한 값과 거의 차이를 보이지 않았다. 그러나 pH 4의 경우에는 포르피린의 구조가 바뀌면서 412㎚와 550㎚ 피크가 줄어들고, 630㎚의 피크가 커진 것을 확인하였다. 반면, pH 7과 pH 9는 시작 시 측정한 값과 거의 차이를 보이지 않았으며, 이 결과를 통하여 포르피린 염료는 pH 7과 pH 9에서 안정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. The resultant solution was measured using a UV-vis spectrum. As a result, as shown in Fig. 20, pH 7 and pH 9 showed little difference from the values measured at the start. However, in the case of pH 4, it was confirmed that the structure of porphyrin was changed and the peaks of 412 nm and 550 nm were reduced and the peak of 630 nm was enlarged. On the other hand, pH 7 and pH 9 showed almost no difference from the values measured at the start, and it was confirmed that the porphyrin dye was stably maintained at pH 7 and pH 9.

다음으로 각 pH에서의 수소생성율을 측정하고, 그 결과를 도 21에 나타내었다. 실험결과, 기존 포르피린을 이용한 실험에서 가장 적은 양의 수소가 발생되었던 pH 7 환경에서 가장 많은 수소를 생성하였음을 확인할 수 있었다. 즉, SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 pH에 따른 수소생성은 300분 반응을 기준으로 pH 7에서 1,142μmol, pH 9에서 200μmol, pH 3에서 181μmol으로 측정되었다. pH 3의 경우에는 반응이 100분에서 종료가 된 것으로 보였으며, 이는 포르피린이 클로린으로 변환되어 더 이상의 반응이 진행되지 못하기 때문이라 생각된다. 그에 비해 pH 9는 꾸준히 증가하여 240분에 pH 3의 수소 발생량을 넘어선 것을 확인할 수 있었다. Next, the hydrogen production rate at each pH was measured, and the result is shown in FIG. Experimental results show that most of the hydrogen was produced in the pH 7 environment where the least amount of hydrogen was generated in the experiment using the existing porphyrin. That is, the hydrogen production according to the pH of the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst was measured to be 1,142 μmol at pH 7, 200 μmol at pH 9, and 181 μmol at pH 3 based on the reaction of 300 minutes. In the case of pH 3, the reaction appeared to be complete in 100 minutes, probably because the porphyrin was converted to chlorine and the reaction did not proceed any further. On the contrary, it was confirmed that the pH 9 continuously increased and exceeded the amount of hydrogen generated at pH 3 at 240 minutes.

따라서, 본 발명에 따라 제조한 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 기존 TiO2와는 달리 전 pH 영역에서의 수소생성이 가능하며, 그 효율 또한 기존과 비교하여 현저히 향상되었음을 확인할 수 있었다. Therefore, it was confirmed that the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst prepared according to the present invention can generate hydrogen in the entire pH range unlike the conventional TiO 2 , and the efficiency thereof is remarkably improved as compared with the conventional one.

비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예로서 설명되었으나, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 또한 첨부된 청구 범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.Although the present invention has been described in terms of the preferred embodiments mentioned above, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. It is also to be understood that the appended claims are intended to cover such modifications and changes as fall within the scope of the invention.

Claims (15)

플라티늄이 로딩된 TiO2; 및
상기 TiO2 표면에 형성된 퍼플루오로비닐 에테르기(perfluorovinyl ether group)의 끝부분에 술폰산기(sulfonate groups)와 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene, Teflon)이 도입된 폴리머(나피온, Nafion) 층;
을 포함하되, 상기 폴리머 층에는 SnP6+가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매.
Platinum loaded TiO 2 ; And
A polymer (Nafion) layer in which sulfonate groups and tetrafluoroethylene (Teflon) are introduced at the end of a perfluorovinyl ether group formed on the surface of the TiO 2 ;
Wherein the polymer layer is impregnated with SnP 6+ , and SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for producing hydrogenolysis of visible light.
제1항에 있어서,
상기 TiO2는 직경이 10~100㎚인 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the TiO 2 has a diameter of 10 to 100 nm. The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light water decomposition hydrogen generation.
제1항에 있어서,
상기 플라티늄은 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%로 로딩된 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the platinum is loaded in an amount of 1 to 10 wt% based on the total weight of the TiO 2. 2. The SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst according to claim 1,
제1항에 있어서,
상기 폴리머 층은 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 1~20㎚의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer layer is formed to a thickness of 1 to 20 nm on the surface of the platinum-loaded TiO 2 SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light water decomposition.
제1항에 있어서,
상기 SnP6+는 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매.
The method according to claim 1,
SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for producing visible light water decomposition hydrogen, wherein the SnP 6+ is contained in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the photocatalyst.
(S1)가시광 염료인 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)을 제조하는 단계;
(S2)플라티늄(platinum)이 로딩된 TiO2 표면에 퍼플루오로비닐 에테르기(perfluorovinyl ether group)의 끝부분에 술폰산기(sulfonate groups)와 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene, Teflon)이 도입된 폴리머(나피온, Nafion) 층이 형성된 Nf/Pt-TiO2를 제조하는 단계; 및
(S3)상기 Nf/Pt-TiO2에 SnP6+를 결합하여 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
(S1) to prepare a visible dye is [Sn (OH 2) 2 TPy H P (4)] 6+ (SnP 6+);
(S2) A polymer in which sulfonate groups and tetrafluoroethylene (Teflon) are introduced at the end of a perfluorovinyl ether group on the surface of platinum-loaded TiO 2 Nafion, Nafion) -formed Nf / Pt-TiO 2 layer; And
(S3) preparing an SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst combine SnP 6+ in the Nf / Pt-TiO 2;
Wherein the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light hydrolysis hydrogen production is prepared.
제6항에 있어서,
상기 (S1)단계의 가시광 염료는,
(a)피롤 및 4-피리딘카르복스알데하이드(4-pyridinecarboxaldehyde)를 용매(프로피온산) 하에서 반응시켜 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린(H2TPYP(4))을 합성하는 단계;
(b)상기 5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린을 용매(피리딘)에 용해시킨 후, 염화주석(Ⅱ)수화물(tin(Ⅱ) chloride dihydrate)을 첨가하고 반응시켜 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(SnCl2TPyP(4))을 합성하는 단계;
(c)상기 트랜스-디클로로[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)에 탄산칼륨(potassium carbonate, K2CO3)을 첨가하고 반응시켜 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)(Sn(OH)2TPyP(4))을 합성하는 단계; 및
(d)상기 트랜스-디하이드록소[5,10,15,20-테트라키스(4-피리딜)포르피린]틴(Ⅳ)에 산처리하여 [Sn(OH2)2TPyHP(4)]6+(SnP6+)을 합성하는 단계;
로 제조되는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
The visible light dye in the step (S1)
(a) the pyrrole and pyridine-4-carboxamide by reacting the aldehyde (4-pyridinecarboxaldehyde) a solvent (acid), 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin (H 2 TPYP (4)) Synthesizing;
(b) dissolving the 5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin in a solvent (pyridine), adding tin (II) chloride dihydrate and reacting Synthesizing trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] tin (IV) (SnCl 2 TPyP (4));
(c) adding potassium carbonate (K 2 CO 3 ) to the trans-dichloro [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] (IV) (Sn (OH) 2 TPyP (4)) as a starting material; And
(d) the trans-dihydroxy rokso [5,10,15,20-tetrakis (4-pyridyl) porphyrin] by acid treatment in the tin (Ⅳ) [Sn (OH 2) 2 H TPy P (4); 6 + (SnP 6+ );
Wherein the SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst is produced by a method comprising the steps of:
제7항에 있어서,
상기 (d)의 산처리는 질산, 염산, 황산 및 인산 중 선택된 어느 하나 이상의 산 용액에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
8. The method of claim 7,
A process for producing a SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst for visible light decomposition hydrogen production, characterized in that the acid treatment of (d) is treated with at least one acid solution selected from nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid .
제6항에 있어서,
상기 (S2)단계의 Nf/Pt-TiO2는 TiO2 표면에 플라티늄(Pt)이 TiO2 총 중량에 대하여 1~10중량%로 로딩된 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
The (S2) Nf / Pt-TiO 2 phase on the TiO 2 surface of platinum (Pt) is TiO 2 with respect to the total weight of 1 to 10 for the SnP visible water decomposition hydrogen produced, characterized in that the loading in weight percent of 6 + / A method for producing a Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst.
제6항에 있어서,
상기 (S2)단계의 Nf/Pt-TiO2는 플라티늄이 로딩된 TiO2 표면에 폴리머 층이 TiO2 총 중량에 대하여 10~35중량%로 형성된 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
The (S2) Nf / Pt-TiO 2 phase of the platinum loading of TiO 2 polymer layer is TiO 2 with respect to the total weight of 10-35% visible light, water decomposition, characterized in that formed in the hydrogen generation for the surface weight of SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst.
제6항에 있어서,
상기 (S3)단계의 SnP6+는 Nf/Pt-TiO2 광촉매 총 중량에 대하여 0.1~10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매의 제조방법.
The method according to claim 6,
The (S3) SnP 6+ in step Nf / Pt-TiO 2 for visible light, the water decomposition hydrogen produced, characterized in that included as 0.1 to 10% by weight relative to the total weight of the photocatalyst SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst ≪ / RTI >
제1항 기재의 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매 및 물을 포함하는 가시광 물분해 수소생성용 조성물.A composition for producing hydrogen-decomposing visible light comprising the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst according to claim 1 and water. 제12항에 있어서,
상기 SnP6+/Nf/Pt-TiO2 광촉매는 물 1.0g/L를 기준으로 1~5g/L로 포함되는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 조성물.
13. The method of claim 12,
Wherein the SnP 6+ / Nf / Pt-TiO 2 photocatalyst is contained in an amount of 1 to 5 g / L based on 1.0 g / L of water.
제12항에 있어서,
상기 수소생성용 조성물은 에틸렌디아민테트라아세트산, 알코올 및 유기산 중 선택된 어느 하나 이상의 전자 주게 화합물을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 물분해 수소생성용 조성물.
13. The method of claim 12,
Wherein the composition for hydrogen generation further comprises at least one electron donor compound selected from ethylenediaminetetraacetic acid, an alcohol and an organic acid.
제12항 기재의 가시광 물분해 수소생성용 조성물에 질소, 아르곤 및 헬륨가스 중 선택된 어느 하나 이상의 가스를 공급한 후 광조사하는 단계를 포함하는 가시광 물분해 수소생성방법.A method for producing visible visible water decomposition hydrogen comprising the steps of supplying at least one selected from nitrogen, argon and helium gas to a visible light decomposition hydrogen generating composition according to claim 12 and then irradiating light.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240043922A (en) 2022-09-28 2024-04-04 한국화학연구원 Conjugated polymer photocatalyst, manufacturing method thereof, conjugated polymer photocatalyst particles comprising same, and hydrogen generation reaction using same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000044201A (en) 1998-07-27 2000-02-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Hydrogen generator
JP2008222853A (en) 2007-03-13 2008-09-25 Pialex Technologies Corp Photocatalytic coating composition

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000044201A (en) 1998-07-27 2000-02-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Hydrogen generator
JP2008222853A (en) 2007-03-13 2008-09-25 Pialex Technologies Corp Photocatalytic coating composition

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hybrids of Semiconductor Oxide Nanoparticles for Solar Photocatalysis (Wonyong Choi, 2012.03.14)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240043922A (en) 2022-09-28 2024-04-04 한국화학연구원 Conjugated polymer photocatalyst, manufacturing method thereof, conjugated polymer photocatalyst particles comprising same, and hydrogen generation reaction using same

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