KR101677842B1 - Multifunctional Cu-TiO2-PU having both photocatalyst and adsorbent activity and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 벌집 구조의 폴리우레탄 지지체 상에 이산화티타늄 박막이 고정되고, 상기 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)가 도핑됨을 특징으로 하는, 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 지지체로서 다공성 폴리우레탄을 사용하여 흡착제로서의 사용이 가능하고, 이산화티타늄과 전자적 특성에 의해 화학적 결합이 가능하여 이산화티타늄 박막이 쉽게 박리되지 않으며, 구리를 도핑하여 이산화티타늄의 밴드갭 에너지를 낮추어 자외선을 포함하여 가시광선 영역에서도 우수한 광촉매 활성을 나타내어, 실내의 형광등이나 램프 등의 약한 가시광선에도 활성화될 수 있으므로, 광촉매로서 사용 시 에너지가 종래 기술대비 적게 사용되어 경제적이다. 또한 구리 도핑시 광-증착을 이용함으로써 도핑 과정이 이산화티타늄과 폴리우레탄 간의 결합에 영향을 미치지 않고, 대량 생산이 가능하고 재생이 가능하여 반영구적으로 사용할 수 있으므로, 종래 흡착제 및 광촉매를 대신하여 실내 공기 정화에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane having both functions as a photocatalyst and an adsorbent, and a method for producing the same. More specifically, the titanium dioxide thin film is fixed on a polyurethane support having a porous honeycomb structure, Characterized in that copper (Cu) is doped on the thin film. The present invention relates to a multi-functional copper-titanium dioxide / polyurethane and a method for producing the same. The multifunction copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention can be used as an adsorbent by using a porous polyurethane as a support and can be chemically bonded to titanium dioxide by electronic characteristics, so that the titanium dioxide thin film is not easily peeled off, Is doped to lower the band gap energy of titanium dioxide to thereby exhibit excellent photocatalytic activity in the visible light range including ultraviolet rays and can be activated even in the case of visible light such as a fluorescent lamp or a lamp in the room. It is less economical to use. In addition, by using photo-deposition in copper doping, the doping process does not affect the bonding between the titanium dioxide and the polyurethane, and mass production and regeneration are possible, so that it can be used semi-permanently. Therefore, in place of the conventional adsorbent and photocatalyst, It can be useful for purification.

Description

광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 구리-이산화티타늄-폴리우레탄 및 이의 제조 방법{Multifunctional Cu-TiO2-PU having both photocatalyst and adsorbent activity and manufacturing method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a multifunctional copper-titanium dioxide-polyurethane having both functions of a photocatalyst and an adsorbent, and a method for producing the same.

본 발명은 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane having both photocatalyst and adsorbent functions and a process for its preparation.

현재 국내 아파트의 최초 건축물을 새로 지었거나 깨끗하게 단장된 집에서 눈이 따끔거리거나, 현기증을 느끼는 일이 발생되고, 더 나아가서는 갑자기 호흡이 가빠지고, 천식 등 호흡기 질환과 아토피성 피부염증 등을 유발하며, 근래에는 건축 내장재에서 발생하는 포름알데히드, 휘발성 유기화합물, 탄산가스, 화학물질 등의 유해가스로 인한 발암 가능성까지 대두되고 있는 실정이다.At the moment, new buildings or newly-built houses in domestic apartments are tinged with eyes, feel dizzy, suddenly become breathless, and cause respiratory diseases such as asthma and atopic skin inflammation In recent years, the possibility of carcinogenesis due to harmful gas such as formaldehyde, volatile organic compounds, carbonic acid gas,

이러한 새집 증후군(Sick House Syndrome) 해소를 위한 실내공기정화 규제가 도입되어, 아파트도 실내공기 오염도에 따른 등급이 정해져, 법제화되어 시행될 예정이다.Indoor air purification regulations have been introduced to eliminate Sick House Syndrome and apartments will be enacted in accordance with the air pollution level.

현재 국내 기준은 실내공기 성분 중 휘발성 유기화합물(VOC) 총량이 1.6㎎/㎥이나, 유럽 및 일본 등 선진국의 기준은 0.4㎎/㎥로, 국내 아파트 실내 공기 휘발성 유기화합물 규제화의 1/4 수준으로 엄격한 기준으로 관리되고 있는 실정이다.In Korea, the total amount of volatile organic compounds (VOC) in indoor air is 1.6mg / ㎥, and the standard of advanced countries such as Europe and Japan is 0.4㎎ / ㎥. It is managed by strict standards.

이러한 VOC 저감을 위해, 광촉매가 사용되고 있다.In order to reduce such VOC, a photocatalyst is used.

상기 광촉매는 광화학과 촉매가 결합된 의미로 빛에너지에 의하여 활성을 나타내는 촉매를 말한다. 환경오염이 가중됨에 따라 오염물질을 처리하기 위한 많은 공정들 중에서 최근에 각광받고 있는 기술이라 할 수 있다.The photocatalyst refers to a catalyst that exhibits activity by light energy in the sense of combining photochemistry and catalyst. As the environmental pollution increases, it is one of the most popular technologies among the many processes for treating pollutants.

특히, 광촉매는 활성화되면 광촉매 표면에서 강한 산화 및 환원력을 가지기 때문에 여러 분야에 적용이 가능하며, 유기물 분해능이 뛰어나서 대기 정화 기능 및 수중 유해성 난분해물질 제거 기능을 갖고 있다. 광촉매의 가장 대표적인 특징은 자정능력 즉 자가 분해 기능성이라고 할 수 있다.In particular, since the photocatalyst has a strong oxidizing and reducing power on the surface of the photocatalyst when activated, it can be applied to various fields, and has excellent ability of decomposing organic matters and has a function of purifying the atmosphere and removing harmful substances. The most typical characteristic of the photocatalyst is the self-cleansing ability.

광촉매에 사용할 수 있는 물질로는 아나타제형 이산화티탄, 루틸형 이산화티탄, 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS), 산화지르코늄(ZrO2), 산화바나듐(V2O2). 산화텅스텐(WO3) 등과 페로브스카이트형 복합금속산화물(SrTiO3) 등이 있다.Materials that can be used for photocatalysts include anatase type titanium dioxide, rutile type titanium dioxide, zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), zirconium oxide (ZrO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 2 ). Tungsten oxide (WO 3 ), and perovskite-type composite metal oxide (SrTiO 3 ).

그러나 실제 광촉매 반응에 사용할 수 있는 반도체 물질은 우선, 광학적으로 활성이 있으며, 광부식이 없어야 한다. 또한 생물학적으로나, 화학적으로 비활성이어야 하며, 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 이용할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 경제적인 측면에서도 저렴해야 한다. 티타늄은 지각 중에 아홉 번째로 많은 원소로, 흔히 화장품에 사용하는 백색안료나 백색페인트는 주로 이산화티타늄으로 제조한 것이다. 단지, 안료로서는 가능하면 빛에 의해 반응하지 않는 이산화티타늄이 사용되고 있지만, 공기청정기 등의 광촉매 응용제품에는 광반응성(光反應性)을 높인 이산화티타늄이 사용된다. 또한 이산화티탄은 자원적으로 매우 풍부하기 때문에 가격도 저렴하고, 광촉매로서 내구성, 내마모성이 우수하며, 그 자체는 안전, 무독물질로 폐기하여도 2차 공해에 대한 염려가 없어, 요즈음 흔히 미래 산업이라는 나노산업의 제품 중 한 품목이다. 특히, 광촉매의 조건과 활성을 고려해 볼 때, 빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고, 염소(Cl2)나 오존(O3)보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나며, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 산화티탄(TiO2)은 대표적인 광촉매 물질로 널리 사용되고 있다.However, the semiconductor material that can be used for the actual photocatalytic reaction must first be optically active and free of photo-curing. It must also be biologically and chemically inert, able to use visible light or ultraviolet light, and economically inexpensive. Titanium is the ninth most element in the earth's crust, and white pigments and white paints commonly used in cosmetics are mainly made of titanium dioxide. Titanium dioxide which does not react by light if possible is used as the pigment, but titanium dioxide which has enhanced photoreaction property is used for a photocatalyst application product such as an air purifier. In addition, titanium dioxide is abundant in resources, so its price is cheap, its durability and abrasion resistance are excellent as a photocatalyst, and even if it is disposed of as safe and nontoxic, there is no concern about secondary pollution. It is one of the products of Nano Industry. In particular, considering the conditions and activity of the photocatalyst, it can be used semi-permanently because it does not change even if it receives light. It has higher oxidizing power than chlorine (Cl 2 ) and ozone (O 3 ) Titanium oxide (TiO 2 ) which can be decomposed with water is widely used as a typical photocatalyst material.

TiO2의 가장 큰 장점은 화학적으로 안정하고, 인체에 무해하며, 다른 재료들에 비해서 가격이 저렴하다는 것이다. 그러나, 이러한 광촉매는 광반응이 일어나기 위하여 일정 에너지 이상의 광에너지를 필요로 하는데, 특히 순수한 TiO2 광촉매는 자외선 밖에 이용할 수 없기 때문에 효율이 낮아 실용화하기가 어려운 문제점이 있고, 아파트 등 실내공기 정화능력이 자연적인 정화속도 대비 미약한 수준이며, 기술적 한계가 있다.The biggest advantage of TiO 2 is that it is chemically stable, harmless to the human body, and cheaper than other materials. However, such a photocatalyst requires a light energy of more than a certain energy in order to cause a photoreaction. Particularly, since pure TiO 2 photocatalyst can not be used only by ultraviolet ray, efficiency is low and it is difficult to be practically used. It is a weak level compared to the natural purification rate, and there are technical limitations.

따라서, TiO2의 밴드갭을 낮추어 가시광 영역에서 활성화될 수 있는 이산화티탄계 광촉매의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이러한 TiO2 광촉매는 상술한 바와 같이 에너지 밴드갭이 3.0 내지 3.2 eV로 자외선 영역에서만 작용하여 효율이 떨어진다. 따라서, 효율을 높이기 위해서는 가시광 영역에서도 작용하는 이산화티탄계 광촉매가 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, development of a TiO 2 -based photocatalyst capable of being activated in a visible light region by lowering the band gap of TiO 2 is urgently required. As described above, the TiO 2 photocatalyst acts only in the ultraviolet region with an energy band gap of 3.0 to 3.2 eV, which is inefficient. Therefore, in order to increase the efficiency, a titanium dioxide-based photocatalyst which works in the visible light region is also desired.

종래 가시광 영역에서 우수한 효율을 나타내는 이산화티탄계 광촉매를 개발하기 위하여, 아나타제 이산화티타늄에 Fe, V, Pt와 같은 금속의 이온을 도핑하는 방법이 있다(일본 공개특허공보 1997-192496호, 2007-0083259호, 한국 공개 특허공보 2002-0082633호). 그러나 상기와 같이 금속 이온을 도핑하였을 경우에는 빛에 의한 분해반응 및 전하 불균형으로 인해 여러 가지 결함이 발생하며, 그 성능 또한 충분하지 않다는 문제점을 가지고 있다. 또 다른 방법으로는, 아나타제 이산화티타늄에 C, N 등의 비금속 이온 또는 음이온(X)을 도핑하여 TiO2-X 형태로 만드는 것이다(일본 공개특허공보 1999-333302호, 2001-205103호, 2002-095976호, 2005-213123호). 이 경우에도 촉매 활성이 그다지 높지 않다는 문제점이 있으며, 특히 그 제조과정에서 전기로와 같은 고가의 장비가 필요하고, 또한 반응성을 우수하게 하기 위한 반응온도 및 제어조건이 까다로워 제조상에 많은 어려움이 있다.In order to develop a titanium dioxide-based photocatalyst which exhibits excellent efficiency in the visible light region, there is a method of doping an anatase titanium dioxide with ions of metals such as Fe, V and Pt (JP-A-1997-192496, 2007-0083259 Korean Patent Publication No. 2002-0082633). However, when the metal ions are doped as described above, various defects occur due to the decomposition reaction due to light and charge imbalance, and the performance is not sufficient. Another method is to make a TiO 2 -X type by doping an anatase titanium dioxide with a nonmetal ion such as C or N or an anion (X) (JP-A-1999-333302, 2001-205103, 2002- 095976, 2005-213123). In this case, there is a problem that the catalyst activity is not so high. In particular, expensive equipment such as an electric furnace is required in the production process, and the reaction temperature and the control condition to make the reactivity excellent are difficult.

따라서 가시광선 영역에서 우수한 광분해능을 발휘하면서, 용이하게 제조할 수 있는 이산화티타늄 촉매의 제조 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is a desperate need to develop a titanium dioxide catalyst production technology which can be easily produced while exhibiting excellent optical resolution in the visible light region.

또한, 최근에는 휘발성 유기화합물(VOC)의 빠른 제거를 위해 광촉매에 흡착 성능을 통합한 물질을 개발하려는 노력이 진행되고 있다. In recent years, attempts have been made to develop materials incorporating adsorption performance in photocatalysts for the rapid removal of volatile organic compounds (VOC).

광촉매에 흡착 성능을 통합시킬 뿐만 아니라 다른 실용 시스템의 광촉매적 응용분야를 넓히기 위해 유리 박막, 유리 섬유, 활성 탄소 및 그래핀 필름과 같은 기판 상에 TiO2 분말을 증착하기 위해 여러 접근법이 수행되어 왔다[S.W. Verbruggen, S. Deng, M. Kurttepeli, D.J. Cott, P.M. Vereecken, S. Bals, J.A. Martens, C. Detavernier, S. Lenaerts, Applied Catalysis B: Environmental, 160-161 (2014) 204-210; Y.L. Pang, S. Lim, H.C. Ong, W.T. Chong, Applied Catalysis A: General, 481 (2014) 127-142.]. 그러나, 대부분의 증착 방법은 단지 물리적 결합에 의해 기판 표면 상에 TiO2를 증착시켰으며, 상기 물리적 결합은 TiO2과 기판 사이에 약한 결합을 형성한다. 그러므로, 이후 사용 과정에서 기판에서 TiO2가 쉽게 박리될 수 있는 문제가 있었다.Several approaches have been taken to deposit TiO 2 powders on substrates such as glass films, glass fibers, activated carbons and graphene films to incorporate adsorptive performance in photocatalysts as well as to broaden the photocatalytic applications of other utility systems [SW Verbruggen, S. Deng, M. Kurttepeli, DJ Cott, PM Vereecken, S. Bals, JA Martens, C. Detavernier, S. Lenaerts, Applied Catalysis B: Environmental, 160-161 (2014) 204-210; YL Pang, S. Lim, HC Ong, WT Chong, Applied Catalysis: General, 481 (2014) 127-142.]. However, most deposition methods deposit TiO 2 on the substrate surface only by physical bonding, and the physical bond forms a weak bond between TiO 2 and the substrate. Therefore, there is a problem that TiO 2 can be easily peeled off from the substrate in the subsequent use.

이에, 본 발명자들은 자외선 보다 에너지가 낮은 가시광선을 받아도 광촉매 작용을 할 수 있게 되어 광촉매 효율을 증진시킬 수 있고, 흡착 기능도 동시에 할 수 있으며, 지지체에 이산화티타늄 박막이 강력하게 고정되어 있어, 휘발성 유기화합물(VOC)의 제거 효능이 높은 새로운 광촉매를 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 벌집형 폴리우레탄(PU) 상에 이산화티타늄을 화학적으로 증착시킨 후, 광-증착법을 이용하여 구리(Cu)를 이산화티타늄에 도핑시켜 제조한 광촉매가 가시광 영역에서도 우수한 광촉매 활성을 나타내며, 흡착 성능도 동시에 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have found that even when a visible light having a lower energy than ultraviolet rays is received, the photocatalytic action can be performed, the efficiency of the photocatalyst can be enhanced, the adsorption function can be performed at the same time, the titanium dioxide thin film is strongly fixed on the support, As a result of research to develop a novel photocatalyst having high removal efficiency of organic compound (VOC), titanium dioxide was chemically deposited on a honeycomb polyurethane (PU), and copper (Cu) Was doped in titanium dioxide, exhibited excellent photocatalytic activity in the visible light region and exhibited an adsorption performance at the same time, and completed the present invention.

1. 일본 공개특허공보 1997-0192496호1. Japanese Patent Application Laid-Open No. 1997-0192496 2. 일본 공개특허공보 2007-0083259호2. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-0083259 3. 한국 공개특허공보 2002-0082633호3. Korean Patent Publication No. 2002-0082633

본 발명의 목적은 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 물질을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a multifunctional substance having both functions of a photocatalyst and an adsorbent.

본 발명의 다른 목적은 상기 다기능 물질의 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the above multifunctional substance.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 벌집 구조의 폴리우레탄 지지체 상에 이산화티타늄 박막이 고정되고, 상기 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)가 도핑됨을 특징으로 하는, 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a photocatalyst and an adsorbent, wherein the titanium dioxide thin film is fixed on a polyurethane support having a porous honeycomb structure, and the titanium dioxide thin film is doped with copper (Cu) Has a multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane.

또한, 바람직하게는 상기 이산화티타늄 박막은 실리콘을 브릿지 원소로서 사용하여 생성된 C-Si-O-Ti 결합을 의해 폴리우레탄 지지체 상에 고정될 수 있다.In addition, preferably, the titanium dioxide thin film can be fixed on the polyurethane support by C-Si-O-Ti bonds generated by using silicon as a bridge element.

또한, 바람직하게는 상기 구리(Cu)는 광-증착에 의해 이산화티타늄 박막 상에 도핑될 수 있다.In addition, preferably, the copper (Cu) can be doped on the titanium dioxide thin film by photo-deposition.

또한, 바람직하게는 상기 구리(Cu)는 이산화티타늄 박막 상에 1~10%의 중량 분율로 도핑될 수 있다.Preferably, the copper (Cu) may be doped on the titanium dioxide thin film at a weight fraction of 1 to 10%.

또한, 본 발명은In addition,

(a) 폴리우레탄의 표면에 이소시아네이트 기(NCO)를 도입하여 폴리우레탄을 활성화시키는 단계;(a) introducing an isocyanate group (NCO) to the surface of the polyurethane to activate the polyurethane;

(b) 티타늄을 실란화하는 단계;(b) silanizing the titanium;

(c) NCO 기를 포함하는 활성화된 폴리우레탄을 실란화된 티타늄 용액에 침지시킨 후, 하소시켜 폴리우레탄 상에 고정된 이산화티타늄 박막을 제조하는 단계; 및(c) immersing an activated polyurethane containing an NCO group in a silanized titanium solution, followed by calcination to produce a titanium dioxide thin film fixed on the polyurethane; And

(d) 광-증착을 이용하여 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)를 도핑시켜 다기능성 구리-이산화탄소/폴리우레탄을 제조하는 단계를 포함하는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법을 제공한다.(d) doping copper (Cu) on a titanium dioxide thin film by photo-deposition to produce a multi-functional copper-carbon dioxide / polyurethane. .

또한, 바람직하게는 상기 단계 (a)는 폴리우레탄을 유기용매, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 (TDI) 및 무수 트리에틸아민의 혼합 용액 내에 넣고, 불활성 기체 하에서 50-70℃에서 1-2 시간 동안 수행될 수 있다.Preferably, the step (a) is a step in which the polyurethane is placed in a mixed solution of an organic solvent, toluene 2,4-diisocyanate (TDI) and anhydrous triethylamine and heated at 50-70 ° C for 1-2 hours During .

또한, 바람직하게는 상기 단계 (b)는 유기용매 내 티타늄 테트라이소프로폭사이드 (TTIP) 용액에 유기용매 내 γ-아미노프로필 트리에톡시실란 (APTES) 용액을 반응시켜 티타늄을 실란화시킬 수 있다.Preferably, the step (b) may be performed by reacting a solution of titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an organic solvent with a solution of? -Aminopropyltriethoxysilane (APTES) in an organic solvent to silanize titanium .

또한, 바람직하게는 상기 단계 (c)의 하소는 200-250℃에서 1-3 시간 동안 수행될 수 있다.Preferably, the calcination of step (c) may be carried out at 200-250 占 폚 for 1-3 hours.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 지지체로서 다공성 폴리우레탄을 사용하여 흡착제로서의 사용이 가능하고, 이산화티타늄과 전자적 특성에 의해 화학적 결합이 가능하여 이산화티타늄 박막이 쉽게 박리되지 않으며, 구리를 도핑하여 이산화티타늄의 밴드갭 에너지를 낮추어 자외선을 포함하여 가시광선 영역에서도 우수한 광촉매 활성을 나타내어, 실내의 형광등이나 램프 등의 약한 가시광선에도 활성화될 수 있으므로, 광촉매로서 사용시 에너지가 종래 기술대비 적게 사용되어 경제적이다. 또한 구리 도핑시 광-증착을 이용함으로써 도핑 과정이 이산화티타늄과 폴리우레탄 간의 결합에 영향을 미치지 않고, 대량 생산이 가능하고 재생이 가능하여 반영구적으로 사용할 수 있으므로, 종래 흡착제 및 광촉매를 대신하여 실내 공기 정화에 유용하게 사용될 수 있다.The multifunction copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention can be used as an adsorbent by using a porous polyurethane as a support and can be chemically bonded to titanium dioxide by electronic characteristics, so that the titanium dioxide thin film is not easily peeled off, Is doped to lower the band gap energy of titanium dioxide and exhibits an excellent photocatalytic activity in the visible light range including ultraviolet rays and can be activated even to weak visible light such as a fluorescent lamp or a lamp in the room. Therefore, when used as a photocatalyst, It is economical to use. In addition, by using photo-deposition in copper doping, the doping process does not affect the bonding between the titanium dioxide and the polyurethane, and mass production and regeneration are possible, so that it can be used semi-permanently. Therefore, in place of the conventional adsorbent and photocatalyst, It can be useful for purification.

도 1은 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에 의해 제조된 순수 PU, 활성화된 PU 및 TiO2/PU의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Cu-TiO2/PU 내의 Cu 2p의 고-해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 비교예에 따른 PU (A), TiO2/PU (B), 및 일 실시예에 따른 Cu-TiO2/PU (C)의 SEM 및 (D) Cu-TiO2/PU 내의 Cu 및 Ti의 맵핑을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 비교예 및 일 실시예에 의해 제조된 PU, TiO2/PU 및 Cu-TiO2/PU의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
Figure 1 shows the FTIR spectra of the pure PU, PU activated and TiO 2 / PU produced by the Comparative Examples and the embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a high-resolution XPS spectrum of Cu 2p in Cu-TiO 2 / PU prepared according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a SEM and (D) of the PU (A), TiO 2 / PU (B), and one Cu-TiO 2 / PU (C ) according to an embodiment according to Comparative Example of the present invention Cu-TiO 2 / The mapping of Cu and Ti in the PU is shown.
Figure 4 shows the UV-Vis absorption spectra of PU, TiO 2 / PU and Cu-TiO 2 / PU prepared according to one comparative example and one embodiment of the present invention.

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

본 발명은 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 가지는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄을 제공한다.The present invention provides a multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane having both photocatalyst and adsorbent functions.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 다공성 벌집 구조의 폴리우레탄 지지체 상에 이산화티타늄 박막이 고정되고, 상기 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)가 도핑됨을 특징으로 한다.The multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention is characterized in that a titanium dioxide thin film is fixed on a polyurethane support having a porous honeycomb structure and copper (Cu) is doped on the titanium dioxide thin film.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄에 있어서, 상기 폴리우레탄(PU)은 기판 또는 지지체의 역할을 담당하며, 100-300 μm의 기공 크기를 갖는 다공성 물질이므로 흡착 기능이 우수하다. 또한, 표면 개질을 통하여 이산화티타늄과 화학적으로 결합이 가능하다.In the polyfunctional copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention, the polyurethane (PU) plays a role of a substrate or a support and is excellent in adsorption because it is a porous material having a pore size of 100-300 μm. It is also possible to chemically bond with titanium dioxide through surface modification.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄에 있어서, 상기 이산화티타늄(TiO2)은 광촉매의 주요 재료로서, 내구성, 내마모성이 우수하며, 화학적으로 안정하고, 인체에 무해하며, 다른 재료들에 비해서 가격이 저렴한 장점이 있으나, 순수한 TiO2 광촉매는 자외선 밖에 이용할 수 없기 때문에 효율이 낮아 실용화하기가 어려운 문제점이 있다. 이를 보완하기 위해, 본 발명에서는 상기 이산화티타늄 박막 상에 구리를 도핑하여, 이산화티타늄의 밴드갭 에너지를 낮춤으로써 자외선을 포함하여 가시광선 영역에서도 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.In the multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention, the titanium dioxide (TiO 2 ) is a main material of the photocatalyst and has excellent durability and abrasion resistance, is chemically stable, harmless to the human body, However, since the pure TiO 2 photocatalyst can not be used only in ultraviolet rays, the efficiency is low and it is difficult to put it into practical use. In order to compensate for this, in the present invention, copper is doped on the titanium dioxide thin film to lower the band gap energy of titanium dioxide, thereby exhibiting excellent photocatalytic activity in the visible light range including ultraviolet rays.

따라서, 본 발명에 따른 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 흡착제의 기능과 광촉매 기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능 물질이다.Accordingly, the copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention is a multifunctional substance capable of simultaneously performing the function of the adsorbent and the photocatalytic function.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄에 있어서, 종래에는 유리 박막, 유리 섬유, 활성 탄소 및 그래핀 필름과 같은 기판 상에 TiO2 분말을 증착하기 위해 물리적 결합을 주로 사용하였는데, 상기 물리적 결합은 TiO2과 기판 사이에 약한 결합을 형성하므로, 이후 사용 과정에서 기판에서 TiO2가 쉽게 박리될 수 있는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 폴리우레탄 지지체가 실리콘을 브릿지 원소로서 사용하여 표면 개질을 통해 생성된 C-Si-O-Ti 결합에 의해 이산화티타늄 박막과 화학적 결합이 가능하므로 사용시 TiO2가 쉽게 박리되지 않으며, 따라서 반영구적으로 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.In the multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention, physical bonding is mainly used for depositing TiO 2 powder on a substrate such as a glass thin film, a glass fiber, an activated carbon and a graphene film, The bond forms a weak bond between the TiO 2 and the substrate, so there is a problem that TiO 2 can easily peel off from the substrate during the subsequent use. However, the copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention can be chemically bonded to the titanium dioxide thin film by the C-Si-O-Ti bond formed through surface modification by using the polyurethane support as a bridge element TiO 2 is not readily peeled off during use, and thus can exhibit photocatalytic activity semi-permanently.

이때, 상기 구리(Cu)는 광-증착에 의해 이산화티타늄 박막 상에 도핑되는 것이 바람직하다. 종래에는 TiO2 기재 내에 금속을 도핑하기 위해 졸-겔(sol-gel), 수열(hydrothermal), 이온-교환(ion-exchange), 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 등의 방법들이 사용되었으나, 폴리우레탄 상에 고정된 TiO2 내에 금속을 도핑하기 위해 이들 방법이 사용되면, pH, 온도 및 압력과 같은 가혹한 환경 조건에 의해 TiO2와 폴리우레탄의 결합에 부작용을 일으킬 수 있다.At this time, the copper (Cu) is preferably doped on the titanium dioxide thin film by photo-deposition. Conventionally, methods such as sol-gel, hydrothermal, ion-exchange, and chemical vapor deposition have been used to dope a metal into a TiO 2 substrate, If these methods are used to dope the metal into the TiO 2 immobilized on the polyurethane, it can cause adverse effects on the binding of the TiO 2 to the polyurethane due to harsh environmental conditions such as pH, temperature and pressure.

본 발명에 따른 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄에 있어서, 상기 구리(Cu)는 이산화티타늄 박막 상에 1~10%의 중량 분율로 도핑되는 것이 바람직하다. 만일 상기 구리의 도핑량이 1 중량% 미만이면 가시광선 영역에서의 광촉매 활성이 미비한 문제가 있고, 10 중량% 초과이면 도핑효과가 충분하지 않은 문제가 있을 수 있다.
In the multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane according to the present invention, the copper (Cu) is preferably doped on the titanium dioxide thin film in a weight fraction of 1 to 10%. If the doping amount of copper is less than 1 wt%, there is a problem that the photocatalytic activity in the visible light region is insufficient. If the doping amount is more than 10 wt%, the doping effect may not be sufficient.

또한, 본 발명은In addition,

(a) 폴리우레탄의 표면에 이소시아네이트 기(NCO)를 도입하여 폴리우레탄을 활성화시키는 단계;(a) introducing an isocyanate group (NCO) to the surface of the polyurethane to activate the polyurethane;

(b) 티타늄을 실란화하는 단계;(b) silanizing the titanium;

(c) NCO 기를 포함하는 활성화된 폴리우레탄을 실란화된 티타늄 용액에 침지시킨 후, 하소시켜 폴리우레탄 상에 고정된 이산화티타늄 박막을 제조하는 단계; 및(c) immersing an activated polyurethane containing an NCO group in a silanized titanium solution, followed by calcination to produce a titanium dioxide thin film fixed on the polyurethane; And

(d) 광-증착을 이용하여 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)를 도핑시켜 다기능성 구리-이산화탄소/폴리우레탄을 제조하는 단계를 포함하는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법을 제공한다.
(d) doping copper (Cu) on a titanium dioxide thin film by photo-deposition to produce a multi-functional copper-carbon dioxide / polyurethane. .

먼저, 단계 (a)는 폴리우레탄을 활성화시키는 단계이다.First, step (a) is a step of activating the polyurethane.

상기 단계에서, 폴리우레탄의 활성화는 당 업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 통하여 수행할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 폴리우레탄을 유기용매, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 (TDI) 및 무수 트리에틸아민의 혼합 용액 내에 넣고, 불활성 기체 하에서 50~70℃에서 1~2 시간 동안 수행하여 폴리우레탄의 표면에 이소시아네이트 기(NCO)를 도입하여 활성화시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In this step, the activation of the polyurethane can be carried out through a method commonly used in the art. In one embodiment, the polyurethane is placed in a mixed solution of an organic solvent, toluene 2,4-diisocyanate (TDI) and anhydrous triethylamine, and the reaction is carried out at 50 to 70 ° C for 1 to 2 hours under an inert gas to obtain poly The isocyanate group (NCO) may be introduced into the urethane surface to activate it, but the present invention is not limited thereto.

이때, 상기 유기용매는 톨루엔, 벤젠, n-헥산 등을 사용할 수 있다.
The organic solvent may be toluene, benzene, n-hexane, or the like.

다음으로, 단계 (b)는 티타늄을 실란화하는 단계이다.Next, step (b) is a step of silanizing titanium.

상기 티타늄의 실란화 단계 또한 당 업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 통하여 수행할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 유기용매 내 티타늄 테트라이소프로폭사이드 (TTIP) 용액에 유기용매 내 γ-아미노프로필 트리에톡시실란 (APTES) 용액을 반응시켜 티타늄을 실란화시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The silanization step of the titanium may also be carried out by a method commonly used in the art. In one embodiment, as shown in Scheme 1 below, a solution of γ-aminopropyltriethoxysilane (APTES) in an organic solvent is reacted with a solution of titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an organic solvent to silanate the titanium But is not limited thereto.

이때, 상기 유기용매는 톨루엔, 벤젠, n-헥산 등을 사용할 수 있다.The organic solvent may be toluene, benzene, n-hexane, or the like.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Figure 112015035627418-pat00001
Figure 112015035627418-pat00001

(상기 반응식 1에서 R1 및 R2는 C1 -4의 직쇄 또는 측쇄 알킬이다.)
(In the above Reaction Scheme 1, R 1 and R 2 are C 1 -4 linear or branched alkyl)

다음으로, 단계 (c)는 폴리우레탄 상에 고정된 이산화티타늄 박막을 제조하는 단계이다.Next, step (c) is a step of producing a titanium dioxide thin film fixed on the polyurethane.

상기 단계에서는 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, NCO 기를 포함하는 활성화된 폴리우레탄을 실란화된 티타늄 용액에 침지시킨 후, 하소시켜 폴리우레탄 상에 화학적으로 고정된 이산화티타늄 박막을 제조할 수 있다.In this step, an activated polyurethane containing an NCO group can be immersed in a silanized titanium solution and then calcined to produce a titanium dioxide thin film chemically immobilized on the polyurethane, as shown in Reaction Scheme 2 below.

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

Figure 112015035627418-pat00002
Figure 112015035627418-pat00002

(상기 반응식 2에서 R1 및 R2는 C1 -4의 직쇄 또는 측쇄 알킬이다.)(Wherein R 1 and R 2 are C 1 -4 straight-chain or branched alkyl)

종래에는 상기 이산화티타늄 박막이 물리적 결합에 의하여 기판에 고정됨으로써 사용시 쉽게 박리되는 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 방법에서는 상기 이산화티타늄 박막이 화학적인 결합을 통해 폴리우레탄에 강하게 고정되므로, 사용시 쉽게 박리되지 않는 특징이 있다.In the conventional method, the titanium dioxide thin film is fixed to the substrate by physical bonding, thereby easily peeling off during use. However, in the method according to the present invention, the titanium dioxide thin film is strongly fixed to the polyurethane through chemical bonding, There are features that do not.

이때, 하소는 일 구현예에 있어서 200-250℃에서 1-3 시간 동안 수행될 수 있다.
Here, the calcination may be carried out at 200-250 占 폚 for 1-3 hours in one embodiment.

다음으로, 단계 (d)는 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)를 도핑시키는 단계이다.Next, step (d) is a step of doping copper (Cu) on the titanium dioxide thin film.

상기 단계에서 구리의 증착은 광-증착 법을 이용하여 수행하며, 이때 도핑되는 구리의 양은 우수한 광촉매적 살균 효능을 위하여 1~10% Cu의 중량 분율로 도핑되는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우에는 광촉매적 살균 효능이 저하되는 문제가 있다.In this step, the deposition of copper is performed using a photo-deposition method. In this case, the amount of doped copper is preferably doped with a weight fraction of 1 to 10% Cu for an excellent photocatalytic germicidal effect. If the concentration is out of the above range, there is a problem that the photocatalytic sterilization efficiency is deteriorated.

상기 단계에서는 구리 도핑시 광-증착을 이용함으로써 도핑 과정이 이산화티타늄과 폴리우레탄 간의 결합에 영향을 미치지 않는다.
In this step, the doping process does not affect the bonding between the titanium dioxide and the polyurethane by using photo-deposition during copper doping.

이렇게 제조된 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄은 지지체로서 다공성 폴리우레탄을 사용하여 흡착제로서의 사용이 가능하고, 이산화티타늄과 전자적 특성에 의해 화학적 결합이 가능하여 이산화티타늄 박막이 쉽게 박리되지 않으며, 구리를 도핑하여 이산화티타늄의 밴드갭 에너지를 낮추어 자외선을 포함하여 가시광선 영역에서도 우수한 광촉매 활성을 나타내어, 실내의 형광등이나 램프 등의 약한 가시광선에도 활성화될 수 있으므로, 광촉매로서 사용시 에너지가 종래 기술대비 적게 사용되어 경제적이다. 또한 구리 도핑시 광-증착을 이용함으로써 도핑 과정이 이산화티타늄과 폴리우레탄 간의 결합에 영향을 미치지 않고, 대량 생산이 가능하고 재생이 가능하여 반영구적으로 사용할 수 있으므로, 종래 흡착제 및 광촉매를 대신하여 실내 공기 정화에 유용하게 사용될 수 있다.
The multi-functional copper-titanium dioxide / polyurethane thus prepared can be used as an adsorbent by using porous polyurethane as a support, and can be chemically bonded to titanium dioxide by electronic characteristics, so that the titanium dioxide thin film is not easily peeled off, Doping to lower the band gap energy of titanium dioxide and to exhibit excellent photocatalytic activity in the visible light range including ultraviolet rays and to be activated even in the case of visible light such as a fluorescent lamp or a lamp in the room, It is economical. In addition, by using photo-deposition in copper doping, the doping process does not affect the bonding between the titanium dioxide and the polyurethane, and mass production and regeneration are possible, so that it can be used semi-permanently. Therefore, in place of the conventional adsorbent and photocatalyst, It can be useful for purification.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<< 실시예Example 1> 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄  1> Multifunction Copper - Titanium Dioxide / Polyurethane 광촉매Photocatalyst 제조 Produce

<1-1> 순수 폴리우레탄(<1-1> Pure polyurethane ( PUPU )의 활성화) Activation

순수 벌집형 PU 폼(foam)을 각각 톨루엔 및 에탄올 용액에서 강 초음파처리 조건 하에서 20분 동안 세척하였다. 세척된 PU를 진공 하에서 40 ℃에서 2시간 동안 건조시킨 후, 85 V% 톨루엔, 10 V% 톨루엔 2,4-디이소시아네이트(TDI) 및 5 V% 무수 트리에틸아민의 혼합 용액 내에 넣었다. PU의 표면 상에 이소시아네이트 기(NCO)를 도입하기 위해서 PU가 포함된 용액을 지속적으로 교반시키면서 보호 가스로서 질소 하에서 1 시간 동안 60 ℃로 가열하였다. 이러한 과정 후, 이소시아네이트 기를 포함한 PU(활성화된 PU)를 톨루엔으로 반복해서 세척하고 60 ℃의 질소 가스에서 4 시간 동안 건조시켰다.
The pure honeycomb PU foam was washed in toluene and ethanol solution, respectively, under strong ultrasonic treatment conditions for 20 minutes. The washed PU was dried under vacuum at 40 占 폚 for 2 hours and then placed in a mixed solution of 85% toluene, 10% toluene 2,4-diisocyanate (TDI) and 5% anhydrous triethylamine. To introduce an isocyanate group (NCO) on the surface of the PU, the solution containing the PU was heated to 60 DEG C for 1 hour under nitrogen as a protective gas with constant stirring. After this process, the PU containing the isocyanate group (activated PU) was repeatedly washed with toluene and dried in a nitrogen gas at 60 DEG C for 4 hours.

<1-2> 티타늄의 <1-2> Titanium 실란화Silanization

티타늄의 실란화 공정을 준비하기 위해, 첫째로, 티타늄 테트라이소프로폭사이드(TTIP) 용액을 교반 조건 하에서 톨루엔을 함유하는 플라스크 내에 천천히 적가하여 5 V%의 톨루엔 내 TTIP 용액을 얻었다. 둘째로, 동 부피의 4 V% γ-아미노프로필 트리에톡시실란(APTES)을 함유하는 톨루엔 용액을 상기 플라스크에 첨가하였다. 혼합물 플라스크를 1시간 동안 지속적으로 교반시킨 후, 40 ℃의 오븐에서 4시간 동안 유지시켜 티타늄을 실란화하였다. 최종 생성물은 티타노실록산의 콜로이드 용액이었다.
To prepare the titanium silanization process, first, a solution of titanium tetraisopropoxide (TTIP) was slowly added dropwise to a flask containing toluene under stirring conditions to obtain a 5 V% solution of TTIP in toluene. Second, a toluene solution containing the same volume of 4 V% gamma -aminopropyltriethoxysilane (APTES) was added to the flask. The mixture flask was agitated continuously for 1 hour and then held in an oven at 4O &lt; 0 &gt; C for 4 hours to silanate the titanium. The final product was a colloidal solution of titanosiloxane.

<1-3> <1-3> PUPU 상에  On TiOTiO 22 증착 deposition

다음으로, NCO 기를 포함하는 활성화된 PU를 40 ℃의 콜로이드 티타노실록산 용액에 1시간 동안 침지시켰다.Next, the activated PU containing the NCO group was immersed in a solution of colloidal titanosiloxane at 40 DEG C for 1 hour.

침지 후, PU 상에 코팅된 TiO2를 증류수로 천천히 세척하였다. 마지막으로, PU 상에 코팅된 TiO2를 80 ℃에서 2 시간 동안 건조시키고 200 ℃의 보호 질소 가스 내에서 2 시간 동안 하소하여 PU 상에 고정된 TiO2를 얻었다.
After immersion, the TiO 2 coated on the PU was slowly washed with distilled water. Finally, the TiO 2 coated on the PU was dried at 80 ° C for 2 hours and calcined in protective nitrogen gas at 200 ° C for 2 hours to obtain TiO 2 fixed on the PU.

<1-4><1-4> PUPU 상에 고정된  Fixed on TiOTiO 22 내에  Within CuCu 의 광-증착Photo-deposition

침지 공정 후 0.1 M Cu(NO3)2 용액을 PU 상에 코팅된 TiO2 위에 천천히 한방울씩 떨어뜨려 Cu-TiO2/PU 광촉매를 합성하였다. 이후, 상기 Cu-TiO2/PU에 UV 광(60 W)을 5 시간 동안 조사하고 200 ℃ 보호 질소 가스 내에서 2 시간 동안 하소시켜 Cu-TiO2/PU 광촉매를 얻었다.
The Cu-TiO 2 / PU photocatalyst was synthesized by slowly dropping 0.1 M Cu (NO 3 ) 2 solution onto the TiO 2 coated on the PU after the immersion process. Then, the Cu-TiO 2 / PU was irradiated with UV light (60 W) for 5 hours and calcined in a protective nitrogen gas at 200 ° C for 2 hours to obtain a Cu-TiO 2 / PU photocatalyst.

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

비교예로서 순수한 PU를 사용하였다.
Pure PU was used as a comparative example.

<< 비교예Comparative Example 2> 2>

실시예 1의 <1-1>의 공정을 거쳐 활성화된 PU를 사용하였다.
Activated PU was used through the process of <1-1> of Example 1.

<< 실험예Experimental Example 1>  1> FTIRFTIR 분석 analysis

본 발명에 따른 구리-이산화티타늄/폴리우레탄 촉매에 있어서, 폴리우레탄에 이산화티타늄이 성공적으로 증착되었는지 알아보기 위하여 FTIR 분석을 실시하여, 그 결과를 도 1에 나타내었다.In the copper-titanium dioxide / polyurethane catalyst according to the present invention, FTIR analysis was conducted to determine whether titanium dioxide was successfully deposited on the polyurethane, and the results are shown in FIG.

도 1은 순수 PU, 활성화된 PU 및 TiO2/PU의 FTIR 스펙트럼 결과를 나타낸다. FTIR 밴드 및 이들의 지정된 진동들은 하기 표 1에 나타내었다.Figure 1 shows the FTIR spectra of pure PU, PU activated and TiO 2 / PU. The FTIR bands and their designated vibrations are shown in Table 1 below.

Figure 112015035627418-pat00003
Figure 112015035627418-pat00003

FTIR 스펙트럼은 순수 PU 내의 N-H, C-N, C=O 및 C-O 결합을 포함하는 우레탄 기(-NH-CO-O-)가 활성화된 PU 내의 이소시아네이트 기(-N=C=O)로 성공적으로 전환되었음을 나타낸다. TiO2/PU의 FTIR 스펙트럼에 기록된 Si-O-Ti 결합은, 티타노실록산을 생성하기 위한 TTIP와 APTES 간의 실란화 공정이 성공적이었음을 나타낸다. 상기 활성화된 PU와 비교할 때, TiO2/PU의 FTIR 스펙트럼은 우레아 기(-NH-CO-NH-)의 전형적인 피크인 N-H 및 C=O 흡수 피크의 강한 증가를 나타낸다. 그러나, TiO2/PU 내의 이소시아네이트 피크는 활성화된 PU와 비교할 때 매우 감소되었다. 피크 강도 변화는 활성화된 PU의 이소시아네이트 기와 티타노실록산의 아민 기 간의 반응을 기초로 우레아 결합이 성공적으로 형성되었음을 나타낸다. 그러므로, APTES 내의 실리콘의 브릿지 역할을 기초로 PU의 표면 상에 티타니아가 성공적으로 코팅되었다. 실리콘은 Si-O-Ti 결합을 통해 TTIP 내의 티타니아에 연결할 수 있다. 상기 APTES 내의 아민 기는 활성화된 PU 내의 이소시아네이트 기와 반응하여 우레아 결합을 형성할 수 있다. The FTIR spectrum shows that the urethane group (-NH-CO-O-) containing NH, CN, C = O and CO bonds in pure PU was successfully converted to an isocyanate group (-N = C = O) in the activated PU . The Si-O-Ti bond recorded in the FTIR spectrum of TiO 2 / PU indicates that the silanization process between TTIP and APTES to produce the titanosiloxane was successful. The FTIR spectrum of TiO 2 / PU shows a strong increase in the NH and C = O absorption peaks, typical peaks of the urea group (-NH-CO-NH-), as compared to the activated PU. However, the isocyanate peak in TiO 2 / PU was much reduced compared to the activated PU. Peak intensity changes indicate that a urea bond has been successfully formed based on the reaction between the isocyanate group of the activated PU and the amine group of the titanosiloxane. Therefore, based on the role of silicon bridge in APTES, titania was successfully coated on the surface of PU. Silicon can be connected to titania in TTIP via Si-O-Ti bonds. The amine groups in the APTES can react with isocyanate groups in the activated PU to form urea bonds.

TiO2/PU의 FTIR 스펙트럼은 Ti-O-Ti 결합의 진동모드로 지정된 670 및 570 cm-1에 흡수 피크를 나타내었다. 상기 피크 출현은 티타늄 알콕사이드와 H2O 간의 반응을 기초로 PU의 표면 상에 TiO2가 형성되었음을 시사한다. The FTIR spectra of TiO 2 / PU showed absorption peaks at 670 and 570 cm -1 , which were designated as the oscillation mode of the Ti-O-Ti bond. This peak appearance suggests that TiO 2 was formed on the surface of PU based on the reaction between titanium alkoxide and H 2 O.

<< 실험예Experimental Example 2>  2> XPSXPS 분석 analysis

도 2는 Cu-TiO2/PU 내의 Cu의 Cu 2p3/2 피크의 고-해상도 XPS 스펙트럼을 나타낸다. Cu-TiO2/PU 내의 구리의 상태를 결정하기 위해 Cu 2p 피크를 맞추는 데 가우시안(Gaussian) 다중 피크 형태를 적용시켰다. 피크 분석 결과, Cu2O 내의 Cu+ (932.3 eV) 및 CuO 내의 Cu2 + (933.5 eV)를 포함하는 Cu-TiO2/PU 내의 구리의 두 성분이 있었다. Cu-TiO2/PU 내의 CuO는 UV 조사, 또는 하소 공정 동안 각각 Cu(NO3)2 의 광-환원, 열 분해에 의해 생성될 수 있다. 광-증착 공정 동안, Cu2 +는 Cu+로 환원되어 Cu2O를 형성할 수 있다. Lin 등은 UV 조사 하에서 Cu2 + 양이온이 TiO2 격자를 침투하여 Ti4 + 양이온과 치환되어 Cu-O-Ti 결합의 형성을 유발함을 보고하였다[17]. 치환은 또한 TiO2 격자 내에 Cu+ 의 형성을 유발할 수 있다. 그러므로, Cu-TiO2/PU 내의 Cu 도펀트의 원소 상태는 Cu+ 및 Cu2 +를 포함하였다. 대부분의 Cu+ 및 Cu2 +는 각각 Cu2O 및 CuO 형태로 존재하였고, 이들은 TiO2 표면 상에 물리적으로 흡착되었다. 또다른 Cu+는 TiO2 격자 내에 Cu-O-Ti 결합의 형태로 존재하였다.
Figure 2 is a high-Cu-TiO 2 / of the PU in the Cu Cu 2p3 / 2 peak-represents the resolution XPS spectrum. A Gaussian multiple peak shape was applied to match the Cu 2p peak to determine the state of copper in Cu-TiO 2 / PU. Peak analysis, there was a Cu + (932.3 eV) and Cu 2 + (933.5 eV) the two components of the copper in the Cu-TiO 2 / PU containing CuO in the in the Cu 2 O. CuO in Cu-TiO 2 / PU can be generated by photo-reduction, thermal decomposition of Cu (NO 3 ) 2 during UV irradiation or calcination, respectively. During the photo-deposition process, Cu 2 + can be reduced to Cu + to form Cu 2 O. Lin et al. Reported that Cu 2 + cations penetrate the TiO 2 lattice under UV irradiation, resulting in the formation of Cu-O-Ti bonds by substitution with Ti 4 + cations [17]. Substitution can also lead to the formation of Cu + in the TiO 2 lattice. Therefore, the element states of the Cu dopant in Cu-TiO 2 / PU included Cu + and Cu 2 + . Most Cu + and Cu 2 + exist in the form of Cu 2 O and CuO, respectively, and they are physically adsorbed on the TiO 2 surface. Another Cu + was present in the form of Cu-O-Ti bonds in the TiO 2 lattice.

<< 실험예Experimental Example 3>  3> 모폴로지Morphology 및 표면적 분석 And surface area analysis

본 발명에 따른 구리-이산화티타늄/폴리우레탄 촉매에 있어서, 순수 PU, TiO2/PU 및 실시예에서 제조된 Cu-TiO2/PU의 모폴로지를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과를 도 3에 나타내었다.The results of observation with a scanning electron microscope (SEM) to analyze the morphology of the pure PU, TiO 2 / PU and the Cu-TiO 2 / PU prepared in the example in the copper-titanium dioxide / polyurethane catalyst according to the present invention 3.

도 3에 있어서, 도 3A는 순수 PU의 SEM 사진이고, 도 3B는 TiO2/PU의 SEM 사진이며, 도 3C는 본 발명에 따른 Cu-TiO2/PU의 SEM 사진이다.In FIG. 3, FIG. 3A is a SEM image of pure PU, FIG. 3B is a SEM image of TiO 2 / PU, and FIG. 3C is a SEM photograph of Cu-TiO 2 / PU according to the present invention.

도 3A에 나타낸 바와 같이, 상기 순수 PU는 100 내지 300 μm의 크기 범위를 가진 기공을 포함하는 것으로 나타났으며, 도 3B에 나타낸 바와 같이, PU에 이산화티탄이 코팅된 SEM 사진은 순수 PU의 SEM 사진과 비교시 기공 차이가 거의 없었다. 따라서, TiO2/PU에 있어서 PU 표면 상에 TiO2가 매끈하고 얇게 코팅되고, TiO2 층은 PU 기판의 기공 크기 변화에 크게 영향을 미치지 않았음을 알 수 있었다. 또한, 도 3C에 나타낸 바와 같이, Cu-TiO2/PU에 있어서, 작은 Cu2O 및 CuO 입자들이 TiO2 층 위에 잘 분산되어 증착된 것으로 나타났다.As shown in FIG. 3A, the pure PU contained pores having a size range of 100 to 300 μm. As shown in FIG. 3B, SEM photographs of PU coated with titanium dioxide showed that the pure PU had a SEM There was little difference in porosity when compared with photographs. Therefore, it was found that TiO 2 was smooth and thinly coated on the PU surface in TiO 2 / PU, and TiO 2 layer did not significantly affect the pore size change of the PU substrate. Further, as shown in FIG. 3C, it was found that, in Cu-TiO 2 / PU, small Cu 2 O and CuO particles were well dispersed and deposited on the TiO 2 layer.

또한, 도 3D는 본 발명에 따라 제조된 Cu-TiO2/PU 물질 내의 Ti 및 Cu 원소의 혼합 맵핑을 나타낸다. 도 3D에 나타낸 바와 같이, 상기 원소 맵핑은 Ti 및 Cu 원소들이 PU 프레임 상에 거의 고르게 또는 교대로 증착되었음 명확히 나타내었다. 이와 같이, 본 발명에 따른 Cu-TiO2/PU 물질은 Ti 및 Cu 원소들이 PU 프레임 상에 거의 고르게 또는 교대로 증착되므로 바이오에어로졸(bioaerosol) 제거를 위한 뚜렷한 광촉매 활성을 유발할 수 있다. Further, FIG. 3D shows a mixed mapping of Ti and Cu element in the Cu-TiO 2 / PU materials made in accordance with the present invention. As shown in Figure 3D, the element mapping clearly indicated that the Ti and Cu elements were deposited almost evenly or alternately on the PU frame. Thus, the Cu-TiO 2 / PU material according to the present invention can induce distinct photocatalytic activity for removal of bioaerosol since Ti and Cu elements are deposited evenly or alternately on the PU frame.

또한, 표면적 측정 결과, 합성된 TiO2/PU의 BET 표면적은 111.4 m2/g였고, 이는 PU(31.3 m2/g) 또는 TiO2 시판용 분말 (60 m2/g)보다도 훨씬 높은 값으로 나타났다. 이러한 높은 표면적은 PU의 표면 상에 TiO2가 고정화됨으로써 TiO2의 표면적을 매우 향상시켰음을 시사한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 Cu-TiO2/PU의 BET 표면적은 166.3 m2/g였고, 이는 PU 또는 TiO2/PU 보다도 더욱 높은 것으로 나타났다. 이는 TiO2 층 상의 작은 Cu2O 및 CuO 입자들의 현저한 증착 때문일 수 있다.
As a result of the surface area measurement, the BET surface area of synthesized TiO 2 / PU was 111.4 m 2 / g, which was much higher than that of PU (31.3 m 2 / g) or TiO 2 commercially available powder (60 m 2 / g) . This high surface area suggests that TiO 2 is immobilized on the surface of PU, thereby greatly improving the surface area of TiO 2 . The BET surface area of Cu-TiO 2 / PU synthesized according to one embodiment of the present invention was 166.3 m 2 / g, which was higher than that of PU or TiO 2 / PU. This may be due to the remarkable deposition of small Cu 2 O and CuO particles on the TiO 2 layer.

<< 실험예Experimental Example 4> 광  4> Light 흡수능Absorption capacity 측정 Measure

PU, TiO2/PU 및 Cu-TiO2/PU의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.UV-Vis absorption spectra of PU, TiO 2 / PU and Cu-TiO 2 / PU are shown in FIG.

도 4에 나타낸 바와 같이, TiO2/PU 및 Cu-TiO2/PU와 비교할 때, PU는 300 내지 700 nm의 파장 범위에서 빛에 대한 어떠한 흡수능도 나타내지 않았고, TiO2/PU의 UV-Vis 흡수 스펙트럼은 390 nm에서 흡수 끝(edge)을 나타내었고, 가시광선 영역에서는 주목할만한 흡수를 나타내지 않았으며, 이는 TiO2의 광흡수 특성과 일치한다[N.R. Khalid, E. Ahmed, Z. Hong, K. S, M. Ahmad, Y. Zhang, Ceramics International, 39 (2013) 7107-7113]. As shown in Fig. 4, when compared to TiO 2 / PU and Cu-TiO 2 / PU, PU did not exhibit any absorption capacity for light in the wavelength range of 300 to 700 nm, and the UV-Vis absorption of TiO 2 / PU The spectrum showed an absorption edge at 390 nm and did not exhibit noticeable absorption in the visible light region, which is consistent with the light absorption properties of TiO 2 [NR Khalid, E. Ahmed, Z. Hong, K. S, M. Ahmad, Y. Zhang, Ceramics International, 39 (2013) 7107-7113].

그러나, TiO2/PU의 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 비교할 때, 본 발명에 따른 Cu-TiO2/PU는 흡수 끝의 적색 이동을 나타낼 뿐만 아니라 가시광 영역에서의 더 높은 흡수능을 나타내었다. 상기 Cu-TiO2/PU 물질에 대한 흡수 끝의 적색 이동은 상기 합성된 물질 내의 CuO의 흡수 역할 때문일 가능성이 있다. Pham 및 Lee는 TiO2 및 CuO를 포함하는 복합 물질이 TiO2의 밴드 갭 에너지의 감소를 유발하여 합성된 물질의 흡수 끝의 적색 이동을 초래함으로써, 적합한 반도체-반도체 시스템을 생성할 수 있음을 보고하였다[T.D. Pham, B.K. Lee, Applied Surface Science, 296 (2014) 15-23]. TiO2의 원자가 전자대로부터 CuO의 원자가 전자대 및 전도대로의 직접적인 계면의 전자 이동 또한 상기 Cu-TiO2/PU 물질에 대한 흡수 끝의 적색 이동을 초래할 수 있다. Cu-TiO2/PU의 광 흡수능의 높은 향상은 Cu 도핑 때문일 수 있으며, 이는 가시광 영역 내에서의 광 흡수 능력을 증가시킬 수 있다. 관찰된 Cu-TiO2/PU의 향상된 가시광 흡수도는 가시광 영역에서 합성된 물질의 광촉매 활성을 현저하게 증가시킬 것으로 기대된다.
However, compared to the UV-Vis absorption spectrum of TiO 2 / PU, Cu-TiO 2 / PU according to the invention exhibited a higher absorption capacity in not only exhibit a red shift of the absorption end of the visible light region. Red shift of the absorption edge for the Cu-TiO 2 / PU materials is likely due to the role of the CuO absorption within said composite material. Pham and Lee report that a composite material comprising TiO 2 and CuO can cause a reduction in the band gap energy of TiO 2 resulting in a red shift of the absorption edge of the synthesized material, [TD Pham, BK Lee, Applied Surface Science, 296 (2014) 15-23]. Direct interface between the electron mobility of the CuO of the valence band and in conduction of electrons from the valence as TiO 2 may also result in a red shift of the absorption edge for the Cu-TiO 2 / PU materials. The high enhancement of the light absorption capacity of Cu-TiO 2 / PU may be due to Cu doping, which can increase the light absorption capacity in the visible region. The enhanced visible light absorption of the observed Cu-TiO 2 / PU is expected to significantly increase the photocatalytic activity of the synthesized material in the visible region.

따라서, 본 발명에 따른 Cu-TiO2/PU는 지지체로서 벌집 모양의 100 내지 300 μm의 크기 범위를 가진 기공을 포함하는 폴리우레탄을 사용하고, 폴리우레탄 표면 상에 코팅된 TiO2 층은 폴리우레탄의 기공 크기 변화에 크게 영향을 미치지 않음으로써 흡착제로서의 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라. 작은 Cu2O 및 CuO 입자들이 TiO2 층 위에 잘 분산되어 증착됨으로써 높은 표면적을 나타내고, 가시광 영역 내에서의 광 흡수 능력 또한 현저히 향상됨으로써, 흡착제와 광촉매의 역할을 동시에 수행할 수 있으므로, 기존 광촉매를 대체하여 바이오에어로졸(bioaerosol) 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거에 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the Cu-TiO 2 / PU according to the present invention uses a polyurethane containing pores having a honeycomb shape in a size range of 100 to 300 μm as a support, and the TiO 2 layer coated on the polyurethane surface is a polyurethane It is possible to perform the function as an adsorbent by not only greatly influencing the pore size change of the adsorbent. Since small Cu 2 O and CuO particles are well dispersed on the TiO 2 layer and deposited, they exhibit high surface area and remarkably improve the light absorption ability in the visible light region, so that the adsorbent and the photocatalyst can be simultaneously performed. It can be usefully used to remove bioaerosol and volatile organic compounds (VOC).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

다공성 벌집 구조의 폴리우레탄 지지체 상에 이산화티타늄 박막이 고정되고, 상기 이산화티타늄 박막은 실리콘을 브릿지 원소로서 사용하여 생성된 C-Si-O-Ti 결합에 의해 폴리우레탄 지지체 상에 고정되며, 상기 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)가 도핑된, 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 갖는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄.A titanium dioxide thin film is fixed on a polyurethane support having a porous honeycomb structure, and the titanium dioxide thin film is fixed on a polyurethane support by C-Si-O-Ti bonds generated by using silicon as a bridge element, Multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane with both photocatalyst and adsorbent functions, doped with copper (Cu) on a titanium thin film. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 구리(Cu)는 광-증착에 의해 이산화티타늄 박막 상에 도핑되는 것을 특징으로 하는, 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 갖는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄.
The method according to claim 1,
Characterized in that the copper (Cu) is doped onto the titanium dioxide thin film by photo-deposition, the multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane having both photocatalyst and adsorbent function.
삭제delete (a) 폴리우레탄의 표면에 이소시아네이트 기(NCO)를 도입하여 폴리우레탄을 활성화시키는 단계;
(b) 티타늄을 실란화하는 단계;
(c) NCO 기를 포함하는 활성화된 폴리우레탄을 실란화된 티타늄 용액에 침지시킨 후, 하소시켜 폴리우레탄 상에 고정된 이산화티타늄 박막을 제조하는 단계; 및
(d) 광-증착을 이용하여 이산화티타늄 박막 상에 구리(Cu)를 도핑시켜 다기능성 구리-이산화탄소/폴리우레탄을 제조하는 단계를 포함하는,
제1항의 광촉매와 흡착제의 기능을 모두 갖는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법.
(a) introducing an isocyanate group (NCO) to the surface of the polyurethane to activate the polyurethane;
(b) silanizing the titanium;
(c) immersing an activated polyurethane containing an NCO group in a silanized titanium solution, followed by calcination to produce a titanium dioxide thin film fixed on the polyurethane; And
(d) doping copper (Cu) on the titanium dioxide thin film using photo-deposition to produce a multi-functional copper-carbon dioxide / polyurethane.
A method for producing a multifunctional copper-titanium dioxide / polyurethane having both the functions of the photocatalyst and the adsorbent of claim 1.
제5항에 있어서,
상기 단계 (a)는 폴리우레탄을 유기용매, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 (TDI) 및 무수 트리에틸아민의 혼합 용액 내에 넣고, 불활성 기체 하에서 50~70℃에서 1~2 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
In the step (a), the polyurethane is placed in a mixed solution of an organic solvent, toluene 2,4-diisocyanate (TDI) and anhydrous triethylamine and heated at 50 to 70 ° C for 1 to 2 hours &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; polytetrafluoro-titanium &lt; / RTI &gt;
제5항에 있어서,
상기 단계 (b)는 유기용매 내 티타늄 테트라이소프로폭사이드 (TTIP) 용액에 유기용매 내 γ-아미노프로필 트리에톡시실란 (APTES) 용액을 반응시켜 티타늄을 실란화시켜 티타노실록산의 콜로이드 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The step (b) may be performed by reacting a solution of titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an organic solvent with a solution of? -Aminopropyltriethoxysilane (APTES) in an organic solvent to silanate titanium to prepare a colloidal solution of titanosiloxane &Lt; / RTI &gt; titanium dioxide / polyurethane.
제5항에 있어서,
상기 단계 (c)의 하소는 200-250℃에서 1-3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 다기능 구리-이산화티타늄/폴리우레탄의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the calcination of step (c) is carried out at 200-250 &lt; 0 &gt; C for 1-3 hours.
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