KR101858094B1 - PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST - Google Patents

PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST Download PDF

Info

Publication number
KR101858094B1
KR101858094B1 KR1020160179081A KR20160179081A KR101858094B1 KR 101858094 B1 KR101858094 B1 KR 101858094B1 KR 1020160179081 A KR1020160179081 A KR 1020160179081A KR 20160179081 A KR20160179081 A KR 20160179081A KR 101858094 B1 KR101858094 B1 KR 101858094B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
photocatalyst
core
zno
shell structure
particles
Prior art date
Application number
KR1020160179081A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박선민
강미숙
Original Assignee
한국세라믹기술원
영남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원, 영남대학교 산학협력단 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020160179081A priority Critical patent/KR101858094B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101858094B1 publication Critical patent/KR101858094B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39Photocatalytic properties
    • B01J35/004
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/10Magnesium; Oxides or hydroxides thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/06Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of zinc, cadmium or mercury
    • B01J35/0006
    • B01J35/008
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/19Catalysts containing parts with different compositions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/396Distribution of the active metal ingredient
    • B01J35/397Egg shell like
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0018Addition of a binding agent or of material, later completely removed among others as result of heat treatment, leaching or washing,(e.g. forming of pores; protective layer, desintegrating by heat)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

The present invention relates to a photocatalyst having a core/shell structure, comprising: a core including a basalt fiber; and a shell including a zinc-based photocatalyst. In particular, the photocatalyst according to the present invention, which has a core/shell structure comprising a basalt fiber and a zinc-based photocatalyst, can selectively convert carbon dioxide (CO_2) into carbon monoxide (CO) while improving CO_2 photoreduction efficiency and scarcely forming other reduction by-products, by effectively adsorbing CO_2 gas and suppressing recombination of photogenerated electron-hole pairs. In particular, the CO_2 adsorption ability of a photocatalyst having BF-Zn_(1-x)Mg_xO core/shell structure was significantly higher than that of a photocatalyst having BF-ZnO core/shell structure; and the subsequent synergistic effect realized by the BF core and Zn_1-xMg_xO shell inside BF-Zn_(1-x)Mg_xO can convert carbon dioxide (CO_2) into carbon monoxide (CO) with higher efficiency.

Description

현무암 섬유 및 아연계 광촉매를 포함하는 코어/쉘 구조의 광촉매{PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST}[0001] PHOTOCATALYST WITH CORE / SHELL STRUCTURE INCLUDING BASAL FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST [0002]

본 발명은 이산화탄소(CO2)의 광환원(photoreduction)에 사용될 수 있는 광촉매에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 아연계 광촉매 물질 및 현무암 섬유 지지체를 포함하는 코어/쉘 구조의 광촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst which can be used for photoreduction of carbon dioxide (CO 2 ), and more particularly to a photocatalyst having a core / shell structure including a zinc-based photocatalyst material and a basalt fiber support.

지구 온난화를 야기하는 온실가스의 주를 이루는 이산화탄소 (CO2)의 방출은 인간 활동의 결과로서 지난 몇 세기에 걸쳐 꾸준히 증가하고 있다. 최근, 전 세계적인 에너지 수요를 충족시키기 위한 요구가 이산화탄소 방출을 감소시키려는 일련의 전략 개발로 이어졌다. 일례로서, CO2 광환원(photoreduction) 공정은 유해한 부산물을 발생시키지 않고 상온 및 상압에서 태양에너지를 이용해 이산화탄소를 일산화탄소 및 탄화수소 연료로 전환하기 때문에 청정하고 환경친화적이다.The emission of carbon dioxide (CO 2 ), the mainstay of greenhouse gases that cause global warming, has steadily increased over the past few centuries as a result of human activity. In recent years, the demand to meet global energy demand has led to the development of a series of strategies to reduce carbon dioxide emissions. As an example, the CO 2 photoreduction process is clean and environmentally friendly because it converts carbon dioxide to carbon monoxide and hydrocarbon fuels using solar energy at room and atmospheric pressure without generating harmful by-products.

상기 CO2 광환원 공정에 사용하기 위한 개발된 반도체성 광촉매(semiconductor photocatalyst) 중에서 이산화티탄(TiO2)은 입수가 용이하고, 광안정성(photo-stability) 및 비독성(non-toxicity)을 가져 가장 널리 사용되고 있다.Of the semiconductor photocatalysts developed for use in the CO 2 photoreduction process, titanium dioxide (TiO 2 ) is readily available, has photo-stability and non-toxicity, Widely used.

상기 이산화티탄의 광촉매 활성(photocatalytic activity)을 보다 향상시키기 위해 다양한 방법이 시도되었으며, 예를 들어, 이방적 결정성장(crystal anisotropic growth), 이온 도핑(doping with ions), 및 반도체성 광촉매의 이종접합(hetero-structuring of semiconductor photocatalysts)은 결정 구조, 전자 구조, 전하 캐리어의 수명 및 전자-정공 재결합 확률에 변화를 주어 광촉매 특성을 향상시키기 위한 기술이다.Various methods have been attempted to further improve the photocatalytic activity of the titanium dioxide. For example, there have been proposed various methods such as crystal anisotropic growth, doping with ions, and heterojunction of semiconductor photocatalyst (hetero-structuring of semiconductor photocatalysts) is a technique for improving photocatalytic properties by changing the crystal structure, electronic structure, lifetime of charge carriers, and probability of electron-hole recombination.

하지만, 이들을 포함한 기존 연구들은 TiO2계 반도체에 국한되어 있어 다양한 광촉매성 반도체 소재를 개발할 필요성이 대두되고 있다.However, existing studies including these are limited to TiO 2 semiconductor, and it is necessary to develop various photocatalytic semiconductor materials.

또한, 종래에는 현무암 섬유를 지지체로 이용하여 이산화탄소의 광환원을 통해 일산화탄소(CO)를 생성하는 광촉매에 관한 기술이 전무하여 이에 관한 신규 기술의 개발이 필요하다.In addition, there is no technology related to a photocatalyst for generating carbon monoxide (CO) through photoreduction of carbon dioxide by using basalt fiber as a support, and development of new technology therefor is required.

한국 공개특허공보 제10-2006-0012020호 (공개일:2006.02.06)Korean Unexamined Patent Application Publication No. 10-2006-0012020 (Publication date: 2006.02.06) 한국 공개특허공보 제10-2013-0102422호 (공개일:2013.09.17)Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0102422 (Publication date: 2013.09.17) 한국 공개특허공보 제10-2012-0026656호 (공개일:2012.03.20)Korean Published Patent Application No. 10-2012-0026656 (published on March 20, 2012) 한국 공개특허공보 제10-2015-0104249호 (공개일:2015.09.15)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0104249 (published on 2015.09.15)

본 발명은 현무암 섬유를 지지체로 포함하며, 이산화탄소를 일산화탄소로 높은 효율로 환원시킬 수 있는 코어/쉘 구조의 광촉매의 제공을 그 목적으로 한다.The object of the present invention is to provide a photocatalyst having a core / shell structure capable of reducing basalt fiber as a support and reducing carbon dioxide to carbon monoxide with high efficiency.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 현무암 섬유를 포함하는 코어(core); 및 아연계 광촉매를 포함하는 쉘(shell)을 포함하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a core comprising basalt fibers; And a shell comprising a zinc-based photocatalyst.

또한, 상기 아연계 광촉매는 ZnO인 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.Further, the present invention proposes a photocatalyst of a core / shell structure characterized in that the zinc-based photocatalyst is ZnO.

또한, 상기 아연계 광촉매는 Zn1-xMgxO (단, 0<x<1)인 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.The present invention also provides a photocatalyst having a core / shell structure, wherein the zinc-based photocatalyst is Zn 1-x Mg x O (where 0 <x <1).

또한, 상기 아연계 광촉매는 Zn0.75Mg0.25O인 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.The present invention also provides a photocatalyst having a core / shell structure, wherein the zinc-based photocatalyst is Zn 0.75 Mg 0.25 O.

또한, 이산화탄소(CO2)의 광환원에 사용되는 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.The present invention also provides a photocatalyst of a core / shell structure, which is used for photoreduction of carbon dioxide (CO 2 ).

또한, 이산화탄소(CO2)의 일산화탄소(CO)로의 선택적인 광환원에 사용되는 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매를 제안한다.The present invention also provides a photocatalyst of a core / shell structure characterized by being used for selective photoreduction of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO).

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서, (a) 아연 전구체 포함 졸(sol) 용액, 또는 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸(sol) 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 아연 전구체 포함 졸 용액 또는 상기 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸 용액에 현무암 섬유를 첨가하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 현무암 섬유 포함 졸 용액을 열처리하는 단계;를 포함하는 상기 코어/쉘 구조의 광촉매를 제조하는 방법을 제안한다.And, in another aspect of the present invention, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) preparing a sol solution containing a zinc precursor or a sol solution containing a zinc and magnesium precursor; (b) adding the basalt fiber to the sol solution containing the zinc precursor or the sol solution containing the zinc and magnesium precursor; And (c) heat treating the basalt fiber-containing sol solution obtained in the step (b). The present invention also provides a method for producing the core / shell structure photocatalyst.

또한, 상기 아연 전구체는 질산아연(zinc nitrate)인 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매 제조방법을 제안한다.Also, the present invention proposes a method for producing a photocatalyst of a core / shell structure, wherein the zinc precursor is zinc nitrate.

또한, 상기 마그네슘 전구체는 질산마그네슘(magnesium nitrate)인 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매 제조방법을 제안한다.Also, the present invention provides a core / shell structure photocatalyst production method, wherein the magnesium precursor is magnesium nitrate.

본 발명에 따른 현무암 섬유(BF) 및 아연계 광촉매를 포함하는 코어/쉘 구조의 광촉매는, CO2 기체를 효과적으로 흡착하고 및 광생성 전자-정공쌍(photogenerated electron-hole pairs)의 재결합 억제함으로써, CO2 광환원 효율을 향상시키고 다른 환원 부산물을 거의 생성시키지 않으면서 선택적으로 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 환원시킬 수 있다.The photocatalyst of the core / shell structure including the basalt fiber (BF) and the zinc-based photocatalyst according to the present invention effectively adsorbs CO 2 gas and inhibits recombination of photogenerated electron-hole pairs, It is possible to selectively reduce carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO) while improving CO 2 light reduction efficiency and hardly producing other reducing by-products.

특히, BF-ZnO의 코어/쉘 구조 광촉매에 비해 BF-Zn1-xMgxO의 의 코어/쉘 구조 광촉매의 CO2 흡착능(adsorption ability)이 현저히 높았으며, 그에 따라 BF-Zn1-xMgxO 내의 BF 코어 및 Zn1-xMgxO 쉘에 의해 의해 발휘되는 상승 작용은 이산화탄소(CO2)를보다 높은 효율로 일산화탄소(CO)로 환원시킬 수 있다.In particular, was BF-ZnO core / shell structure in comparison to the photocatalyst BF-Zn 1-x Mg x O core / shell structure of the photocatalyst of the CO 2 adsorption capacity (adsorption ability) of a significantly higher, BF-Zn 1-x accordingly The synergism exerted by the BF core in Mg x O and the Zn 1-x Mg x O shell can reduce carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO) at higher efficiencies.

도 1은 BF-Zn1-xMgxO 코어-쉘 입자 H2O 존재 하에서의 CO2 광환원 메커니즘을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 코어-쉘 구조의 광촉매 입자(BF-Zn1-xMgxO)의 합성 과정 및 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
도 3은 CO2 광환원을 위한 반응기의 개념도이다.
도 4는 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 X-선 회절(XRD) 패턴 및 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 에너지 분산형 X-선 분광(EDAX) 스펙트럼이다.
도 6은 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 주사전자현미경 원소 맵핑(SEM element mapping) 이미지이다.
도 7은 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 확산 반사 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼(diffuse reflectance-UV-visible absorption spectra) 및 광발광(photoluminescence, PL) 곡선이다.
도 8은 BF, BF-ZnO 및 BF-Zn0.75Mg0.25O 입자의 광전류 밀도(photocurrent density) 곡선이다.
도 9는 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자를 대상으로 한, CO2 탈착(desorption)에 대응하는 CO2-TPD(Temperature programmed desorption) 곡선이다.
도 10은 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자를 대상으로 측정한, H2O 존재 하에서의 CO2 광환원에 대한 촉매 성능(일산화탄소 및 메탄 생성 수율) 측정 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram showing the CO 2 photoreduction mechanism in the presence of BF-Zn 1-x Mg x O core-shell particles H 2 O. FIG.
FIG. 2 is a schematic view showing a process and mechanism of a photocatalyst particle (BF-Zn 1-x Mg x O) having a core-shell structure according to the present invention.
3 is a conceptual diagram of a reactor for CO 2 photoreduction.
FIG. 4 is an X-ray diffraction (XRD) pattern and scanning electron microscope (SEM) image of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.
5 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX) spectrum of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.
6 is an SEM element mapping image of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.
FIG. 7 is a diffuse reflectance-UV-visible absorption spectra and photoluminescence (PL) curve of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.
FIG. 8 is a photocurrent density curve of BF, BF-ZnO and BF-Zn 0.75 MgO .25 O particles.
FIG. 9 is a CO2-TPD (Temperature programmed desorption) curve corresponding to CO 2 desorption for BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.
Fig. 10 shows the results of measurement of the catalytic performance (carbon monoxide and methane production yield) for CO 2 photolysis in the presence of H 2 O, measured on BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

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

본 발명에 따른 코어/쉘 구조의 광촉매는 현무암 섬유(basalt fiber, BF)를 포함하는 코어(core); 및 아연계 광촉매를 포함하는 쉘(shell)을 포함한다.The photocatalyst of the core / shell structure according to the present invention comprises a core comprising a basalt fiber (BF); And a shell comprising a zinc-based photocatalyst.

즉, 본 발명은 광촉매 효율을 향상시키기 위해 활성종(reactive species)의 흡착 및 입사광 특성 활용을 확장시키기 위해, 지지체로서 현무암 섬유를 사용하고 광감제(photosensitizer)의 역할을 하는 반도체 물질로서 아연계 광촉매를 사용하는 것을 특징으로 한다.That is, the present invention relates to a semiconductor material which acts as a photosensitizer and uses basalt fibers as a support to expand adsorption of reactive species and utilization of incident light characteristics in order to improve photocatalytic efficiency, Is used.

상기 현무암 섬유는 지지체로서 코어를 구성하며 MgO 및 CaO 함량이 높고 SiO2 및 알칼리 산화물 함량이 낮아 이산화탄소를 흡수하기 위한 기재로서 대단히 바람직한 소재이다. 미네랄(substrate mineral)로 사용될 수 있다.The above-mentioned basalt fiber constitutes a core as a support and has a high content of MgO and CaO and a low content of SiO 2 and an alkali oxide, which is a very preferable material for absorbing carbon dioxide. It can be used as a substrate mineral.

또한, 상기 아연계 광촉매는 ZnO 또는 Zn1-xMgxO (단, 0<x<1)인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 Zn0.75Mg0.25O일 수 있다. 상기와 같이 ZnO의 결정 구조에 마근네슘(Mg)가 도입된 Zn1-xMgxO를 쉘에 포함되는 광촉매로 사용할 경우 전자-정공 전하 분리 및 이산화탄소(CO2) 흡착을 동시에 촉진시켜 광촉매 활성을 향상시킬 수 있다.The zinc-based photocatalyst may be ZnO or Zn 1-x Mg x O (where 0 < x < 1), and more preferably Zn 0.75 Mg 0.25 O. As described above, when Zn 1-x Mg x O doped with magnesium (Mg) in the crystal structure of ZnO is used as a photocatalyst contained in the shell, the electron-hole charge separation and the carbon dioxide (CO 2 ) Can be improved.

따라서, 상기 본 발명에 따른 코어/쉘 구조의 광촉매는 이산화탄소(CO2)의 광환원, 보다 상세하게는 이산화탄소(CO2)의 일산화탄소(CO)로의 선택적인 광환원에 유용하게 사용될 수 있다.Thus, the photocatalyst according to the core / shell structure according to the present invention may be useful in selective light reduction to carbon monoxide (CO) of the optical reduction and, more particularly carbon dioxide (CO 2) of carbon dioxide (CO 2).

도 1은 전술한 본 발명에 따른 코어/쉘 광촉매의 일례인 BF-Zn1-xMgxO 코어/쉘 광촉매 입자에 의한 CO2 광환원 메커니즘을 모식적으로 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a CO 2 photoreduction mechanism by BF-Zn 1-x Mg x O core / shell photocatalyst particles, which is an example of the core / shell photocatalyst according to the present invention described above.

도 1을 참조하면, Zn1-xMgxO는 순수한 ZnO 보다도 짧은 밴드갭을 가지고 있기 때문에, 현무암 섬유 코어/ Zn1-xMgxO 쉘의 광촉매 입자상의 Zn1-xMgxO에서 광자(photon)에 의한 여기(excitation)가 빠르게 시작된다. 여기된 전자는 이산화탄소 분자에 효율적으로 전달될 수 있다. 이산화탄소 분자들이 우선적으로 현무암 섬유 지지체 표면에 흡착되면 Zn1-xMgxO의 가전자대(valance band)의 정공(hole)은 H2O종(species)에 의해 포획도고 OH 라디칼 및 양성자(proton)로 전달된다. 상기 양성자는 전자에 의해 H 라디칼로 변환되며, 또한, Zn1-xMgxO의 전도대의 전자는 CO2분자와 반응해 CO2 -를 형성하고, 상기 CO2 -가 환원되어 CO가 형성된다.Referring to FIG. 1, Zn 1-x Mg x O is pure ZnO Since it has a shorter band gap than the basalt fiber core / Zn 1-x Mg x O Excitation by photons starts rapidly in Zn 1-x Mg x O on the photocatalyst particles of the shell. The excited electrons can be efficiently transferred to carbon dioxide molecules. When the carbon dioxide molecules are preferentially adsorbed on the surface of the basalt fiber support, the holes of the valance band of Zn 1-x Mg x O are trapped by H 2 O species and OH radicals and proton, Lt; / RTI &gt; The protons are converted to H radicals by an electron, also, electrons in the conduction band of the Zn 1-x Mg x O is CO 2 reacts with CO 2 molecules to form, the CO 2 - has been reduced to form the CO .

상기와 같이 ZnO에 Mg를 첨가해 얻어진 Zn1-xMgxO에 의해 광생성(photo-generated) 전자-정공쌍(e-/h+)의 분리를 촉진할 수 있는바, BF-Zn1 - xMgxO 코어/쉘 구조의 광촉매 입자에서 현무암 섬유 코어와 ZnO의 쉘 내에 결합된 Mg에 의해 발휘되는 상승 효과가 CO2의 환원 효율을 향상시켜 CO 생산을 증가시킬 수 있다.Hole pairs photo-generated (photo-generated) e by a Zn 1-x Mg x O obtained by adding Mg to ZnO as the - bar to facilitate the separation of the (e / h +), BF -Zn 1 - x Mg x O The synergistic effect exerted by the Mg bound in the shell of the basalt fiber core and ZnO in the photocatalytic particles of the core / shell structure can improve the CO 2 reduction efficiency and increase the CO production.

한편, 상기 본 발명에 따른 코어/쉘 구조의 광촉매를 제조하는 방법의 일례로는, (a) 아연 전구체 포함 졸(sol) 용액, 또는 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸(sol) 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 아연 전구체 포함 졸 용액 또는 상기 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸 용액에 현무암 섬유를 첨가하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 현무암 섬유 포함 졸 용액을 열처리하는 단계;를 포함하는 상기 코어/쉘 구조의 광촉매를 제조하는 방법이 있다.Meanwhile, an example of a method for producing a photocatalyst of a core / shell structure according to the present invention includes: (a) preparing a sol solution containing a zinc precursor or a sol solution containing a zinc and magnesium precursor; (b) adding the basalt fiber to the sol solution containing the zinc precursor or the sol solution containing the zinc and magnesium precursor; And (c) heat treating the basalt fiber-containing sol solution obtained in the step (b).

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings.

그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.However, the embodiments according to the present disclosure can be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present disclosure are provided to more fully describe the present disclosure to those of ordinary skill in the art.

<실시예> 현무암 섬유 코어-아연계 광촉매 쉘 구조의 광촉매 입자(BF-ZnO 및 BF-ZnEXAMPLES Photocatalyst particles of a basalt fiber core-zinc-based photocatalytic shell structure (BF-ZnO and BF-Zn 1-x1-x MgMg xx O)의 제조O)

도 2에 도시된 바와 같이, 광물 지지체(mineral support)인 현무암 섬유(BF)로 이루어진 코어(core) 및 상기 코어 상에 성장해 형성된 ZnO 또는 Zn1-xMgxO 나노 입자로 이루어진 쉘(shell)을 포함하는 광촉매 입자(BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO)를 변형된 졸-겔법(modified sol-gel method)을 이용해 제조하였다.As shown in FIG. 2, a core made of a basalt fiber (BF), which is a mineral support, and a shell made of ZnO or Zn 1-x Mg x O nanoparticles grown on the core, (BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O) were prepared using a modified sol-gel method.

우선, 질산아연(zinc nitrate) (Zn(NO3)2.4H2O,99.99%, JunseiChemical, Japan)및 질산마그네슘(magnesium nitrate) (Mg(NO3)2.6H2O,99.99%, JunseiChemical, Japan)을 각각 아연 및 마그네슘의 전구체로 사용하고, 무수 에탄올(absolute ethanol)을 용매로 사용해, ZnO 또는 Zn1-xMgxO의 졸 혼합물을 준비하였다.First, zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 .4H 2 O, 99.99%, Junsei Chemical, Japan) and magnesium nitrate (Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 99.99%, Junsei Chemical , Japan) were used as precursors of zinc and magnesium, respectively, and a sol mixture of ZnO or Zn 1-x Mg x O was prepared using absolute ethanol as a solvent.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상기 아연 및 마그네슘 전구체가 에탄올 500 mL에 단계적으로 첨가되고 균일한 용액이 얻어질 때까지 1시간 동안 교반하였다. 합성이 이루어지는 동안 용액의 pH는 2 내지 3으로 유지해 Zn 및 Mg 전구체의 신속한 가수분해를 유도하였다. 현무암 섬유(BF)(YJC com., Hampyong, Jeonnam, Korea)를 졸 용액에 첨가하고 2시간 동안 교반한 후, 오토클레이브로 옮겨 200 oC에서 4시간 동안 열처리해 용액을 결정화시켰다.As shown in Fig. 2 (a), the zinc and magnesium precursors were added stepwise to 500 mL of ethanol and stirred for 1 hour until a homogeneous solution was obtained. During the synthesis, the pH of the solution was maintained at 2 to 3 to induce rapid hydrolysis of Zn and Mg precursors. Basalt fiber (BF) (YJC com., Hampyong, Jeonnam, Korea) was added to the sol solution, stirred for 2 hours, transferred to autoclave, and heat-treated at 200 ° C for 4 hours to crystallize the solution.

이때, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 질산아연 및 질산마그네슘은 에탄올 용액 내에서 각각 Zn(OR)4및 Mg(OR)6로 부분적으로 가수분해된 후, 응축(condensation)을 통해 RO-[metal-O-metal]-OR로 표현되는 비정질 금속 산화물로 각각 변환되었다. 열처리 과정 중에 Zn1-xMgxO 나노구조가 BF의 표면상에 연결된 후 나노 결정이 성장한다. 합성 후에 얻어지는 분말은 세척 및 건조해 최종적으로 코어/쉘 구조의 광촉매 시편(BF-ZnO, BF-Zn0.80Mg0.2O, BF-Zn0.75Mg0.25O, BF-Zn0.67Mg0.33O 및 BF- Zn0.50Mg0.50O 코어-쉘 입자)를 얻었다.As shown in FIG. 2 (b), zinc nitrate and magnesium nitrate are partially hydrolyzed with Zn (OR) 4 and Mg (OR) 6 in an ethanol solution, respectively, - [metal-O-metal] -OR, respectively. The nanocrystals grow after the Zn 1-x Mg x O nanostructures are bonded on the surface of BF during the heat treatment process. The powder obtained after the synthesis was washed and dried to finally obtain a core / shell structure photocatalyst sample (BF-ZnO, BF-Zn 0.80 Mg 0.2 O, BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O, BF-Zn 0.67 Mg 0.33 O and BF- 0.50 Mg 0.50 O core-shell particles).

<실험예><Experimental Example>

도 4(a)는 BF, BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 XRD 패턴 분석 결과를 나타낸다.4 (a) is BF, BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O The results of XRD pattern analysis of particles are shown.

도 4(a)에 따르면 BF는 금속 산화물에 해당되는 피크를 나타내지 않고 비정질인 것으로 보인다.According to Fig. 4 (a), BF does not show a peak corresponding to the metal oxide but appears to be amorphous.

BF-ZnO의 XRD 피크는 P63mc 공간군(space group)을 가지는 육방정(hexagonal) ZnO 결정상으로 확인되었으며, 2θ값이 31.75°, 34.44°, 36.25°, 47.54°, 56.55°, 62.87°, 67.92°, 및 69.06°인 피크는 각각 (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) 및 (201)면에 대응한다.The XRD peak of BF-ZnO was confirmed to be a hexagonal ZnO crystal phase having a P63mc space group. The 2θ values were 31.75 °, 34.44 °, 36.25 °, 47.54 °, 56.55 °, 62.87 °, 67.92 ° , And 69.06 degrees correspond to the (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) and (201) planes, respectively.

BF-Zn1-xMgxO 입자의 경우에는 MgO 피크가 관찰되지 않고, Zn0.75Mg0.25O의 경우를 제외하고는 XRD 피크의 2θ값이 BF-ZnO 입자와 거의 동일하였다. ZnO 및 Zn1-xMgxO가 나타내는 명확한(well-defined) XRD 피크는, BF와 나노입자 간의 코어/쉘 구조가 고도로 정렬되어 있음을 나타낸다. 또한, Zn1-xMgxO가 포함하는 입자의 경우 ZnO 포함 입자의 경우에 비해 피크가 더 넓어지고 작아졌는데, 이는, Zn1-xMgxO이 ZnO 보다 더 작은 결정 크기를 가짐을 의미한다. 평균 결정 크기는 Scherrer식에 근거해 (101)피크를 이용해 계산하였으며, BF 표면 상에 성장한 ZnO, Zn0.80Mg0.2O, Zn0.75Mg0.25O, Zn0.67Mg0.33O, 및 Zn0.50Mg0.50O의 결정 크기는 각각 29.33, 26.55, 27.09, 38.01, 및 42.21 nm로 나타났으며, 이로부터 Mg 첨가량이 25%에 이를 때까지 결정 크기가 감소했다가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.In the case of BF-Zn 1-x Mg x O particles, the MgO peak was not observed, and the 2θ value of the XRD peak was almost the same as the BF-ZnO particle except for the case of Zn 0.75 Mg 0.25 O. A well-defined XRD peak of ZnO and Zn 1-x Mg x O indicates that the core / shell structure between BF and the nanoparticles is highly aligned. In addition, the particles containing Zn 1-x Mg x O have wider and narrower peaks than ZnO-containing particles, indicating that Zn 1-x Mg x O has a smaller crystal size than ZnO do. The average crystal size was calculated using the (101) peak based on the Scherrer equation, ZnO, Zn grown on the BF surface 0.80 Mg of 0.2 O, Zn 0.75 Mg 0.25 O , Zn 0.67 Mg 0.33 O, and Zn 0.50 Mg 0.50 O The crystal sizes were 29.33, 26.55, 27.09, 38.01, and 42.21 nm, respectively, and it was confirmed that the crystal size decreased until the Mg addition amount reached 25%.

도 4(b)는 ZnO 입자, Zn1-xMgxO 입자 및 MgO 입자의 SEM 이미지이며, 도 4(c)는 BF, BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 SEM 이미지를 나타낸다.4B is an SEM image of ZnO particles, Zn 1-x Mg x O particles and MgO particles, and Fig. 4C is an SEM image of BF, BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O SEM image of particles.

도 4(b)에 도시된 SEM 이미지는 순수한 ZnO 입자는 육방정(hexagonal) 형상을 나타내는 반면, 약 100 nm의 크기를 가지는 Zn1-xMgxO 입자에서는 입방정 및 육방정 형상이 뒤섞여 있음을 보여준다. 그러나, 순수한 MgO는 얇은 천(cloth)과 같은 형상을 가지는 것으로 확인되었다.In the SEM image shown in FIG. 4 (b), pure ZnO particles exhibit a hexagonal shape while Zn 1-x Mg x O particles having a size of about 100 nm are mixed with cubic and hexagonal shapes Show. However, it has been confirmed that pure MgO has a shape similar to a thin cloth.

도 4(c)를 참조하면, BF는 15 μm의 직경을 가지며 그 표면은 매끈하였다. BF-나노입자의 코어/쉘 구조 입자는 ZnO 및 Zn1-xMgxO 나노입자를 성장시켜 제조하였다. 모든 시편의 쉘에서는 ZnO 및 Zn1-xMgxO 나노입자의 규칙적인 배열이 명확히 관찰되었으며, 이는 코어-쉘 구조의 정렬이 잘 이루어져 있음을 나타낸다. 나노입자인 ZnO 및 Zn1-xMgxO는 BF 표면을 완벽하게 덮었다. 성장한 부분은 분산이 잘된 약 100 nm 크기를 가지는 균일하고 미세한 구형 입자로 이루어졌고, 쉘은 모두 꽃 모양을 가졌다. 한편, 마그네슘 첨가량 증가에 따라 그물 형태로 입자들을 연결시키는 판상 형상 부분의 크기가 증가하였다. 해당 부분은 아마도 ZnMgO의 복합체로 여겨지며, 그 함량은 Zn0.75Mg0.25O 입자에서 크게 증가하였다. 보다 많은 마그네슘이 첨가될 경우, 많은 얇은 입자들이 함께 연결되어 솜뭉치(cotton wad)의 형태를 형성하였다. Referring to Fig. 4 (c), BF had a diameter of 15 [mu] m and its surface was smooth. The core / shell structure particles of BF-nanoparticles were prepared by growing ZnO and Zn 1-x Mg x O nanoparticles. The regular arrangement of ZnO and Zn 1-x Mg x O nanoparticles was clearly observed in all specimen shells, indicating that the alignment of the core-shell structure is well established. The nanoparticles ZnO and Zn 1-x Mg x O completely covered the BF surface. The grown part consisted of uniform and fine spherical particles of about 100 nm in size with good dispersion, and all the shells had a flower shape. On the other hand, as the amount of magnesium added increases, the size of the plate-shaped part connecting the particles in a net shape increases. This part is probably regarded as a complex of ZnMgO, and the content of Zn 0.75 Mg 0.25 O particles greatly increased. When more magnesium was added, many thin particles were joined together to form the shape of a cotton wad.

도 5 및 도 6는 각각 에너지 분산형 X-선 분광법(EDAX) 분석 결과 및 SEM 원소 맵핑(elemental mapping) 이미지로서, BF-ZnO 및 BF-Zn1 - xMgxO 입자의 표면상에 금속 원자가 존재함을 확인시켜준다. 그리고, 아래 표 1은 EDAX에 의해 결정된 각 입자들(BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자)의 원자 조성 분석 결과이다.5 and 6 are each energy dispersive X- ray spectroscopy (EDAX) analysis and SEM elemental mapping (elemental mapping) as an image, and ZnO-BF BF-Zn 1 - x Mg x O metallic atoms on the surface of the particles It confirms existence. Table 1 below shows the results of the atomic composition analysis of the respective particles (BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles) determined by EDAX.

도 5의 EDAX 피크는 현무암 섬유가 Na, K, Ca, Mg, Al, Si, Fe, and Ti 등의 다양한 금속의 산화물을 포함함을 보여준다.The EDAX peak in Figure 5 shows that the basalt fiber contains oxides of various metals such as Na, K, Ca, Mg, Al, Si, Fe, and Ti.

아래 표 1에서 순수한 BF는 15.8 at%의 Si, 6.2% at%의 총 알칼리 금속, 0.59 at%의 Ti, 2.59 at%의 Fe 및 4.44 at%의 Al을 포함하고, CO2 흡착제로 작용하는 Ca 및 Mg의 함량은 각각 2.34 at%와 1.89 at%이고, Zn은 없는 것으로 나타났다.Under pure BF in Table 1 was 15.8 at% of Si, 6.2% at% of the total, and include alkali metal, 0.59 at% of Ti, 2.59 at% of Fe and Al of 4.44 at%, Ca which acts as a CO 2 absorbent And Mg contents were 2.34 at% and 1.89 at%, respectively.

BF-ZnO 입자는 15.55 at% Zn을 포함하고 다른 원소들의 함량은 다소 감소한 것으로 나타났다.The BF-ZnO particles contained 15.55 at% Zn and the contents of other elements were slightly decreased.

Zn1-xMgxO 입자에서 Zn의 농도는 합성 단계에서 첨가되는 Mg의 함량이 증가함에 따라 증가했다.The Zn concentration in Zn 1-x Mg x O particles increased with increasing Mg content in the synthesis step.

한편, 도 6에 따르면 모든 원소들이 현무암 섬유의 표면에 균일하게 분산되었음이 확인되었다.On the other hand, according to FIG. 6, it was confirmed that all the elements were uniformly dispersed on the surface of the basalt fiber.

Figure 112016127330142-pat00001
Figure 112016127330142-pat00001

도 7(a) 및 7(b)는 각각 BF-ZnO 및 BF-Zn1 - xMgxO 입자의 확산 반사 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼(diffuse reflectance-UV-visible absorption spectra) 및 광발광(photoluminescence, PL) 스펙트럼을 나타낸다.7 (a) and 7 (b) show diffuse reflectance-UV-visible absorption spectra and photoluminescence spectra of BF-ZnO and BF-Zn 1 - x Mg x O particles, , PL) spectrum.

도 7(a)에 따르면, 순수한 BF은 Ti 및 Fe 등의 전이금속이 존재해 넓은 범위에 걸쳐 파장을 흡수하며, ZnO 및 Zn1-xMgxO 나노입자의 성장 후에는 주요 흡수피크는 보다 선명해졌다. BF-ZnO 코어-쉘 구조의 시편은 300-400 nm의 파장 영역에서 최대밴드(maximum band)를 나타내어 Zn-O-Zn종이 중합된(polymerized) 것으로 보인다. 이와 같은 밴드는 BF-Zn0.5Mg0.5O 입자를 제외하고는 BF-ZnO에 비해 BF- Zn1-xMgxO에서 보다 큰 파장으로 약간 천이되었다. 한편, 흡수 스펙트럼은 보다 가파른 흡수단(absorption edge)을 가졌으며, 이는 Tauc's 식으로부터 얻어진 결과와 유사했다. 순수한 BF, BF-ZnO, BF-Zn0.80Mg0.2O, BF-Zn0.75Mg0.25O, BF-Zn0.67Mg0.33O, 및 BF-Zn0.50Mg0.50O 입자 각각의 밴드갭은 Tauc's 식을 이용해 1.58, 3.11, 3.07, 3.09, 3.10, 및 3.15 eV인 것으로 확인되었다. According to Fig. 7 (a), pure BF absorbs a wide range of wavelengths due to the presence of transition metals such as Ti and Fe, and after the growth of ZnO and Zn 1-x Mg x O nanoparticles, It became clear. The specimen of the BF-ZnO core-shell structure shows maximum band in the wavelength range of 300-400 nm, indicating that the Zn-O-Zn species is polymerized. These bands slightly shifted to larger wavelengths in BF-Zn 1-x Mg x O than in BF-ZnO except for BF-Zn 0.5 Mg 0.5 O particles. On the other hand, the absorption spectrum had a steeper absorption edge, similar to the results obtained from Tauc's equation. The band gaps of pure BF, BF-ZnO, BF-Zn 0.80 Mg 0.2 O, BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O, BF-Zn 0.67 Mg 0.33 O and BF-Zn 0.50 Mg 0.50 O particles were 1.58 , 3.11, 3.07, 3.09, 3.10, and 3.15 eV.

또한, 도 7(b)를 참조하면 모든 입자들이 유사한 곡선 형태를 가지는 PL 신호를 나타냈지만, BF-ZnO은 400-550 nm의 파장 범위에서 강한 PL 신호(최대 여기 파장: 469 nm)를 나타낸 반면. BF-Zn0.75Mg0.25O의 곡선 강도는 급격히 약화되었다. 그러나, Mg가 재결합 중심(recombination center) 으로 작용하기 때문에, 첨가되는 Mg의 원자 첨가량이 0.25 mol%을 초과해 증가할 경우 PL 강도는 강해졌다. PL 발광이 감소하는 경향은 다음 순으로 나타났다: BF-Zn0.50Mg0.50O > BF-Zn0.67Mg0.33O > BF-ZnO > BF-Zn0.80Mg0.2O≥BF-Zn0.75Mg0.25O.Also, referring to FIG. 7 (b), all the particles showed a PL signal having a similar curved shape, but BF-ZnO showed a strong PL signal (maximum excitation wavelength: 469 nm) in the wavelength range of 400-550 nm . The curve strength of BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O rapidly decreased. However, since Mg acts as a recombination center, when the amount of added Mg atoms exceeds 0.25 mol%, the PL intensity becomes stronger. The decrease in PL emission was in the following order: BF-Zn 0.50 Mg 0.50 O> BF-Zn 0.67 Mg 0.33 O>BF-ZnO> BF-Zn 0.80 Mg 0.2 O BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O.

상기과 같이 BF-Zn0.75Mg0.25O 입자가 나타내는 감소된 PL 강도는 ZnO 구조로 삽입된 Mg 이온에 의해 생성되어 전자 전달을 촉진하고 표면에서 전자-정공쌍 재결합을 방해하는 결함에 의한 것일 수 있다.The reduced PL intensity exhibited by the BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O particles as described above may be due to defects that are generated by Mg ions intercalated into the ZnO structure to promote electron transfer and interfere with electron-hole pair recombination at the surface.

도 8은 BF, BF-ZnO, BF-Zn0.75Mg0.25O 입자에서의 광생성된 전자-정공 생성의 효율을 확인하기 위해 측정된 BF, BF-ZnO 및 BF-Zn0.75Mg0.25O 입자의 광전류 밀도(photocurrent density) 곡선으로서, 광원이 온-오프 전환될 때의 전형적인 실시간 광전류 응답을 보여준다.FIG. 8 is a graph showing the results of a comparison of BF, BF-ZnO, BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O As a photocurrent density curve of BF, BF-ZnO and BF-Zn 0.75 MgO .25 O particles measured to confirm the efficiency of photo-generated electron-hole generation in the particles, the light source is on- Time typical photocurrent response.

도 8을 참조하면, 광이 켜질 때 광환원 전류에서의 빠른 증가는 관찰되었다가 몇초 후에 정상상태 steady state 로 안정화되었다. 또한, 광이 꺼질 때에 광전류는 즉각 감소해서 거의 0에 이르렀다. 광이 켜질 때, BF-ZnO 및 BF-Zn0.75Mg0.25O에서 얻어지는 최대 광전류는 각각 70.23 및 96.01 mA cm-2이었으며, 이는 BF의 최대 광전류값(30.50 mA cm-2) 보다 높았다. 따라서, Mg 성분은 광생성된 전자-정공쌍의 효과적인 분리를 촉진시키는 중간체(intermediate) 역할을 해 광전류의 향상에 이로운 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 8, a rapid increase in the photoreduction current was observed when the light was turned on, and stabilized in steady state a few seconds later. Further, when the light was turned off, the photocurrent immediately decreased to almost zero. When the light was turned on, the maximum photocurrents obtained from BF-ZnO and BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O were 70.23 and 96.01 mA cm -2 , respectively, which was higher than the maximum photocurrent value of BF (30.50 mA cm -2 ). Therefore, it has been confirmed that the Mg component serves as an intermediate for promoting the effective separation of the photo-generated electron-hole pairs, and thus is advantageous for improving the photocurrent.

도 9는 코어/쉘 구조의 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자 의 고온 (> 800 °C)에서 얻어진 CO2 탈착 프로파일(CO2-TPD)을 나타낸다. 순수한 BF의 경우에 CO2 탈착의 곡선 강도는 매우 작았다. 그러나, BF-ZnO의 경우에는 3배 정도 높았다. 그리고, CO2 흡착량은 BF-ZnO에 비해 BF-Zn1-xMgxO 입자 상에서 현저히 향상되었는데, 이는 훨씬 더 많은 CO2 분자들이 BF-Zn1-xMgxO 표면 상에 흡착된 것을 의미한다. 특히, BF-Zn0.75Mg0.25O 입자의 경우가 가장 높았다. 일반적으로, 많은 반응물이 촉매 상에 잘 흡착될 때 빠른 촉매 반응이 일어난다. Mg 및 Zn이 동시에 존재함으로써 흡착되는 CO2 분자의 개수의 상대적인 증가를 일으켜 BF-Zn1-xMgxO 입자의 촉매 성능에 현저히 기여한다.FIG. 9 is a graph showing the relationship between the core / shell structure of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O The CO 2 desorption profile (CO 2 -TPD) obtained at high temperature (> 800 ° C) of the particles. In the case of pure BF, the curve strength of CO 2 desorption was very small. However, in the case of BF-ZnO, it was about three times higher. The amount of adsorbed CO 2 is BF-Zn 1-x Mg x O Significant improvement on the particles, which means that much more CO 2 molecules are adsorbed on the BF-Zn 1-x Mg x O surface. In particular, BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O particles were the highest. Generally, a fast catalytic reaction occurs when many reactants are well adsorbed on the catalyst. The presence of Mg and Zn causes a relative increase in the number of adsorbed CO 2 molecules and contributes significantly to the catalytic performance of the BF-Zn 1-x Mg x O particles.

도 10은 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO의 H2O 증기를 가지는 CO2에 대한 광환원 능력을 나타낸다.Fig. 10 shows the photoreduction ability of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O to CO 2 with H 2 O vapor.

일반적으로, H2O의 존재 하에서의 CO2의 환원은, H2O의 광분해(photo decomposition)에 의한 양전자(proton) 생성, CO2 광분열(photo cleavage)에 의한 CO 라디칼 생성, 및 CO 라디칼과 양전자 간의 광합성(photosynthesis)로부터 유도된 탄화수소 생성의 3개의 하부 과정을 통해 이루어진다.In general, the reduction of the presence of H 2 O CO 2 is a positron (proton) by photolysis (photo decomposition) of H 2 O produced, CO 2 light division CO radical production by (photo cleavage), and a CO radical and It is accomplished through three sub-processes of hydrocarbon production derived from photosynthesis between positron.

자외선 조사에 의해 일어나는 광촉매 상의 광생성 전자는 CO2 환원을 유도해 CO2 라디칼을 생성하며, 정공은 흡착된 H2O 분자와 반응해 산화를 수행한다. 중간 광생성종(intermediate photogenerated species)은 다른 반응을 거쳐 CO 또는 CH4를 생성하는데, 기존 연구에서의 TiO2 촉매와 달리, BF-ZnO 기반 촉매의 경우 주된 생성물은 CO 분자이고, BF-ZnO의 경우에 생산된 CH4의 양은 0.065 μmolgcat -1L-1로서 무시할 정도로 매우 적었다. 이러한 결과는 TiO2 촉매와 달리 ZnO는 반응이 CH4보다는 CO으로 진행하는 것을 보다 용이하게 하기 때문이며, 그 결과, 본 발명에 따르면 Zn계 촉매를 이용해 CO가 이산화탄소로부터 선택적으로 생성될 수 있다.The photo-generated electrons on the photocatalyst induced by ultraviolet irradiation induce CO 2 reduction to generate CO 2 radicals, which react with the adsorbed H 2 O molecules to effect oxidation. Intermediate photogenerated species produce CO or CH 4 through other reactions, but in previous studies, TiO 2 Unlike the catalyst, the main product for the BF-ZnO-based catalyst is CO molecules and the amount of CH 4 produced in the case of BF-ZnO is negligible as 0.065 μmolg cat -1 L -1 . These results suggest that TiO 2 Unlike catalysts ZnO facilitates the reaction to proceed to CO rather than CH 4 , and as a result, CO can be selectively generated from carbon dioxide using Zn-based catalysts according to the present invention.

특히, CO2 광환원에 있어서 BF-Zn0.80Mg0.2O 및 BF-Zn0.75Mg0.25O 촉매는 BF-ZnO 보다 높은 광활성(photoactivity)을 가지며, BF-Zn0.75Mg0.25O의 경우 5.2 μmolgcat -1L-1의 CO가 생성되었다. 이와 같은 수율의 차이는 BF-ZnO 및 BF-Zn1-xMgxO 입자의 밴드갭 및 기체 흡착능에 따른 것이다. 그러나, 25%를 초과하는 Mg가 첨가된 촉매 상에서의 CO2 환원양은 크게 감소한 것으로 나타났다.In particular, in the case of the CO 2 photoreduction BF-Zn 0.80 Mg 0.2 O and BF-Zn 0.75 Mg 0.25 O catalyst has an optically active (photoactivity) higher than the BF-ZnO, BF-Zn0.75Mg0.25O 5.2 μmolg cat - 1 L -1 of CO was produced. The difference in yield is due to the band gap and gas adsorption capacity of BF-ZnO and BF-Zn 1-x Mg x O particles. However, the amount of CO 2 reduction on catalysts containing more than 25% Mg was significantly reduced.

Claims (9)

현무암 섬유를 포함하는 코어(core); 및 아연계 광촉매인 Zn0.75Mg0.25O를 포함하는 쉘(shell)을 포함하며,
이산화탄소(CO2)의 광환원에 사용되는 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매.
A core comprising a basalt fiber; And a shell comprising zinc-based photocatalyst Zn 0.75 Mg 0.25 O,
A photocatalyst of core / shell structure characterized by being used for photoreduction of carbon dioxide (CO 2 ).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
이산화탄소(CO2)의 일산화탄소(CO)로의 선택적인 광환원에 사용되는 것을 특징으로 하는 코어/쉘 구조의 광촉매.
The method according to claim 1,
A photocatalyst in a core / shell structure characterized by being used for selective photoreduction of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO).
(a) 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸(sol) 용액을 준비하는 단계;
(b) 상기 아연 및 마그네슘 전구체 포함 졸 용액에 현무암 섬유를 첨가하는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 현무암 섬유 포함 졸 용액을 열처리하는 단계;를 포함하며,
상기 아연 전구체는 질산아연(zinc nitrate)이고, 상기 마그네슘 전구체는 질산마그네슘(magnesium nitrate)인 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 코어/쉘 구조의 광촉매 제조방법.
(a) preparing a sol solution containing zinc and a magnesium precursor;
(b) adding the basalt fiber to the sol solution containing the zinc and magnesium precursor; And
(c) heat treating the basalt fiber-containing sol solution obtained in the step (b)
The method of claim 1, wherein the zinc precursor is zinc nitrate, and the magnesium precursor is magnesium nitrate.
삭제delete 삭제delete
KR1020160179081A 2016-12-26 2016-12-26 PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST KR101858094B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160179081A KR101858094B1 (en) 2016-12-26 2016-12-26 PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160179081A KR101858094B1 (en) 2016-12-26 2016-12-26 PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101858094B1 true KR101858094B1 (en) 2018-05-17

Family

ID=62485930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160179081A KR101858094B1 (en) 2016-12-26 2016-12-26 PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101858094B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110040971A (en) * 2019-05-21 2019-07-23 四川省玻纤集团有限公司 A kind of method and basalt fibre using tank furnace method production basalt fibre
WO2020046064A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 고려대학교 세종산학협력단 Carbon dioxide reduction composite catalyst and manufacturing method thereof
CN114843533A (en) * 2022-05-13 2022-08-02 西南交通大学 Method for preparing hollow nano carbon rod-loaded zinc monoatomic catalyst by using basalt fibers as template

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Patrycja Lyczkowska 외 2, The synthesis of porous nano-TiO2 films on the basalt fibers, Trends in NanoTechnology Conference (2013.09.)
Wei-Ning Wang 외 7, Surface Engineered CuO Nanowires with ZnO Islands for CO2 Photoreduction, ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol.7, pp.5685-5692(2015.02.27.)
Xiaoqing Qiu 외 5, Origin of the Enhanced Photocatalytic Activities of Semiconductors: A Case Study of ZnO Doped with Mg2+, J. Phys. Chem. C, Vol.112, pp.12242-12248(2008.07.19.)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020046064A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 고려대학교 세종산학협력단 Carbon dioxide reduction composite catalyst and manufacturing method thereof
CN110040971A (en) * 2019-05-21 2019-07-23 四川省玻纤集团有限公司 A kind of method and basalt fibre using tank furnace method production basalt fibre
CN114843533A (en) * 2022-05-13 2022-08-02 西南交通大学 Method for preparing hollow nano carbon rod-loaded zinc monoatomic catalyst by using basalt fibers as template
CN114843533B (en) * 2022-05-13 2023-04-07 西南交通大学 Method for preparing hollow nano carbon rod-loaded zinc monoatomic catalyst by using basalt fibers as template

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ijaz et al. Preparation of CdS@ CeO2 core/shell composite for photocatalytic reduction of CO2 under visible-light irradiation
Gong et al. Solar fuels: research and development strategies to accelerate photocatalytic CO 2 conversion into hydrocarbon fuels
Soni et al. Indium sulfide-based photocatalysts for hydrogen production and water cleaning: a review
Tahir La-modified TiO2/carbon nanotubes assembly nanocomposite for efficient photocatalytic hydrogen evolution from glycerol-water mixture
Mao et al. Recent advances in the photocatalytic CO 2 reduction over semiconductors
Quiroz-Cardoso et al. Enhanced photocatalytic hydrogen production by CdS nanofibers modified with graphene oxide and nickel nanoparticles under visible light
Zhang et al. The development of better photocatalysts through composition‐and structure‐engineering
CN111437867B (en) Composite photocatalyst containing tungsten oxide and preparation method and application thereof
Fung et al. Recent progress in two-dimensional nanomaterials for photocatalytic carbon dioxide transformation into solar fuels
Liu et al. Vacancy engineering of AuCu cocatalysts for improving the photocatalytic conversion of CO 2 to CH 4
US20180065856A1 (en) Nanostructured metal oxide compositions for applied photocatalysis
Khan et al. Enhanced visible-light photoactivities of porous LaFeO 3 by synchronously doping Ni 2+ and coupling TS-1 for CO 2 reduction and 2, 4, 6-trinitrophenol degradation
Adegoke et al. Photocatalytic conversion of CO2 using ZnO semiconductor by hydrothermal method
Sarwar et al. Synergistic effect of photo-reduced Ni–Ag loaded g-C3N4 nanosheets for efficient visible Light‐Driven photocatalytic hydrogen evolution
KR101858094B1 (en) PHOTOCATALYST WITH CORE/SHELL STRUCTURE INCLUDING BASALT FIBER AND Zn-BASED PHOTOCATALYST
Sharma et al. Insight into ZnO/carbon hybrid materials for photocatalytic reduction of CO2: An in-depth review
CN113145138B (en) Thermal response type composite photocatalyst and preparation method and application thereof
CN113058617B (en) Photocatalyst and preparation method and application thereof
Tahir et al. Photocatalytic CO 2 conversion over Au/TiO 2 nanostructures for dynamic production of clean fuels in a monolith photoreactor
US20140174906A1 (en) Photocatalytic system for the reduction of carbon dioxide
Nautiyal et al. Advanced nanomaterials for highly efficient CO2 photoreduction and photocatalytic hydrogen evolution
Chen et al. Research status, challenges and future prospects of renewable synthetic fuel catalysts for CO2 photocatalytic reduction conversion
Gu et al. Application of tungsten oxide and its composites in photocatalysis
Bafaqeer et al. Fabrication of reduced graphene oxide (rGO) mediated ZnV2O6 nanosheets for enhancing photocatalytic CO2 reduction under UV and solar light irradiation
CN110898827A (en) Method for preparing tungsten photocatalyst heterojunction through doping induction

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant