KR101910443B1 - Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof - Google Patents

Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof Download PDF

Info

Publication number
KR101910443B1
KR101910443B1 KR1020170043038A KR20170043038A KR101910443B1 KR 101910443 B1 KR101910443 B1 KR 101910443B1 KR 1020170043038 A KR1020170043038 A KR 1020170043038A KR 20170043038 A KR20170043038 A KR 20170043038A KR 101910443 B1 KR101910443 B1 KR 101910443B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
self
titanium dioxide
titanium
doped
titanium oxide
Prior art date
Application number
KR1020170043038A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20180112314A (en
Inventor
조강우
홍석원
이창하
Original Assignee
한국과학기술연구원
울산과학기술원
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 한국과학기술연구원, 울산과학기술원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020170043038A priority Critical patent/KR101910443B1/en
Publication of KR20180112314A publication Critical patent/KR20180112314A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101910443B1 publication Critical patent/KR101910443B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109Electrodes
    • C02F2001/46133Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142Catalytic coating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+를 Ti3+로 자가도핑시켜 이산화티타늄의 광흡수율 및 전기전도도를 향상시킴에 있어서, Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 효율을 향상시킴과 함께 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시킬 수 있는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법은 티타늄 모재를 불소함유 전해질에 넣고 양극산화시켜 티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체를 형성하는 단계; 상기 티타늄 모재를 열처리하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계; 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 포함한 티타늄 모재 상에 조촉매 나노입자를 증착하는 단계; 조촉매 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 pH 버퍼용액에 넣고 전원을 인가하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+를 Ti3+로 환원시키는 단계; 및 Ti3+가 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 소성하여 자가도핑된 결정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In Sikkim the invention by a self-doped Ti 4+ of titanium dioxide (TiO 2) to Ti 3+ enhance the optical absorption and electrical conductivity of the titanium dioxide, and to the Ti 4+ Ti 3+ self improving the doping efficiency The present invention relates to a self-doped titanium dioxide photoelectrode capable of inhibiting re-oxidation of Ti 3+ to Ti 4+ and a photoelectrochemical water treatment apparatus using self-doped titanium dioxide photoelectrode, A method of manufacturing a doped titanium dioxide photoelectrode includes: forming a titanium oxide nanostructure on a titanium base material by anodizing a titanium base material into a fluorine-containing electrolyte; Heat treating the titanium base material to convert it into an amorphous titanium oxide nanostructure; Depositing a promoter nanoparticle on a titanium base material including an amorphous titanium oxide nanostructure; A step of reducing the Ti 4+ of the amorphous titanium oxide nanostructure to Ti 3+ by applying a power source to the titanium base material deposited with the catalyst nanoparticles in the pH buffer solution; Characterized in that comprises a; and Ti 3+ is self-converting to a self-doping by firing doped amorphous titanium oxide nano-crystalline structure of titanium oxide nano-structure.

Description

자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치{Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a self-doped titanium dioxide photoelectrode and a photoelectrochemical water treatment apparatus using self-doped titanium dioxide photoelectrode,

본 발명은 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+를 Ti3+로 자가도핑시켜 이산화티타늄의 광흡수율 및 전기전도도를 향상시킴에 있어서, Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 효율을 향상시킴과 함께 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시킬 수 있는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치에 관한 것이다.The present invention is a, more particularly, Ti 4+ of titanium dioxide (TiO 2) relates to a photoelectric chemical water treatment apparatus using a manufacturing method and a self-doped titanium dioxide photo-electrode of the titanium dioxide photoelectrodes doping itself to Ti 3+ self which in self Sikkim for increasing the light absorption of titanium dioxide and doped electrical conductivity, along with to the Ti 3+ Ti 4+ Ti 3+ self improving the doping efficiency can be suppressed from being re-oxidized to Ti 4+ Doped titanium dioxide photoelectrode, and a photoelectrochemical water treatment apparatus using the self-doped titanium dioxide photoelectrode.

최근 국내에서 발생한 가습기 살균제 노출사고는 기존 생활밀착형 제품의 약품 기반 관리기술의 유해성에 대한 문제로 주목받고 있다. 가습기 살균제의 주성분인 PHMG(polyhexamethylene guanidine)는 정기 손상과 암발생을 촉발하여 유전자 변형까지 야기할 수 있다. 이러한 생활밀착형 제품시장은 규모가 빠르게 커지고 있지만 유해물질 사용에 따른 화학약품 관리규제는 다소 뒤쳐져 있다.Recently, domestic exposure to humidifier disinfectant has attracted attention as a problem of the hazardousness of the drug - based management technology of existing life - style products. PHMG (polyhexamethylene guanidine), which is the main component of humidifier disinfectant, can induce periodic damage and cancer and cause genetic deformation. Although the market for these products is growing rapidly, regulation of chemical management due to the use of hazardous substances is somewhat behind.

한편, 난분해성 미량 유기오염물질에 대한 수질 오염에 대한 대처로 강력한 수처리 기술인 고도산화기술의 필요성이 증대되고 있는데, 광촉매 기반 산화 기법은 기존 과산화수소 및 오존 기반의 고도산화공정의 대체 기술로써 새로운 가시광 광촉매에 대한 많은 방법들이 제안되어 왔다. 또한, 유해 미생물을 제거하는 방법은 주로 약품 기반의 염소 소독이 있으나, 염소 소독은 레지오넬라 등 일부 감염성균에 대하여 내성이 있어 충분한 소독이 어렵고, 염소 성분이 물 속에 존재하는 경우 다양한 자연유기물질과 반응하여 THMs(Trihalomethanes), 클로라민 등과 같은 유해한 소독부산물을 생성한다는 문제점이 있다.Meanwhile, the need for advanced oxidation technology, which is a powerful water treatment technology, has been increased to cope with water pollution due to the degradable trace organic pollutants. The photocatalyst-based oxidation technique is a substitute technology for the conventional oxidation process based on hydrogen peroxide and ozone. A number of methods have been proposed. In addition, the method of removing harmful microorganisms is mainly chemical-based chlorine disinfection, but chlorine disinfection is resistant to some infectious bacteria such as Legionella, so it is difficult to disinfect sufficiently, and when chlorine components are present in water, , Thereby generating harmful disinfection by-products such as THMs (Trihalomethanes), chloramines and the like.

대표적인 광촉매인 이산화티타늄(TiO2)을 지지체에 고정화하여 사용하는 기존의 수처리 방법은 자외선(UV)에 한정된 광흡수, 낮은 전기전도도, 광화학적으로 생성된 전자-정공의 재결합(recombination) 등의 문제로 인해 수처리 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 측면에서 고정화된 이산화티타늄을 광전극(photo-anode)으로 활용하고 광조사와 함께 외부 전압을 인가하여 산화-환원 반응을 촉진시키는 방법이 제안된 바 있다(한국공개특허 제2016-60191호 참조). 하지만, 이 방법은 이산화티타늄의 낮은 전도도와 자외선에 한정된 광흡수라는 한계를 극복하지 못하였다.Conventional water treatment methods using titanium oxide (TiO 2 ), which is a typical photocatalyst, are used to immobilize the support on a support, such as light absorption limited to ultraviolet rays (UV), low electric conductivity, recombination of photochemically generated electron-holes The water treatment efficiency is deteriorated. In this respect, a method has been proposed in which immobilized titanium dioxide is used as a photo-anode and an external voltage is applied together with light irradiation to promote the oxidation-reduction reaction (see Korean Patent Publication No. 2016-60191 ). However, this method did not overcome the limit of titanium dioxide's low conductivity and ultraviolet light absorption.

본 출원인은 이산화티타늄의 전기전도도를 향상시키고 가시광 영역의 광흡수율을 증진시키는 방법으로 티타늄 산화물 나노 구조체를 전기적으로 환원(cathodization)하여 Ti4+의 일부를 Ti3+로 자가도핑하는 방법이 제안한 바 있다(한국등록특허 제1400861호 및 한국등록특허 제1401655호 참조). 하지만, 이 방법들은 열처리하여 아나타제(anatase) 구조가 형성된 이산화티타늄 나노 구조체를 전기적으로 환원하기 때문에 안정화된 결정구조로 인해 자가도핑이 나노구조체의 표면에만 한정되고, 이로 인해 광흡수율 및 전기전도도의 향상이 제한된다는 한계점이 있다. 또한, Ti4+의 환원에 의해 생성된 Ti3+가 안정되지 않아 Ti4+로 재산화될 가능성이 높다.The present applicant has proposed a method of electrically doping a part of Ti 4+ with Ti 3+ by electrically cathodizing the titanium oxide nanostructure by improving the electrical conductivity of titanium dioxide and increasing the light absorptivity of the visible region (See Korean Patent No. 1400861 and Korean Patent No. 1401655). However, since these methods electrically reduce the titanium dioxide nanostructure formed with the anatase structure by heat treatment, the self-doping is confined to the surface of the nanostructure due to the stabilized crystal structure, thereby improving the light absorptivity and electrical conductivity There is a limitation in that it is limited. Further, the Ti 3+ produced by the reduction of Ti 4+ not been stabilized is likely to be re-oxidized to Ti 4+.

한편, 광전극(양극)을 활용한 광전기화학적 수처리 시스템의 경우에 음극에서 일어나는 환원반응을 통해 수소가스가 발생할 수 있고 이는 안전상의 문제가 있을 수 있다. 따라서, 수소발생 반응을 지연시키는 대신 음극 표면의 환원반응을 통해 수처리에 필요한 산화제의 형성을 보조할 수 있는 방법이 필요하다.On the other hand, in a photoelectrochemical water treatment system using a photo electrode (anode), hydrogen gas may be generated through a reduction reaction occurring at the cathode, which may cause a safety problem. Therefore, there is a need for a method capable of supporting the formation of an oxidizing agent required for water treatment through a reduction reaction of the surface of the cathode instead of delaying the hydrogen generation reaction.

한국공개특허 제2016-60191호Korean Patent Publication No. 2016-60191 한국등록특허 제1400861호Korean Patent No. 1400861 한국등록특허 제1401655호Korea Patent No. 1401655

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+를 Ti3+로 자가도핑시켜 이산화티타늄의 광흡수율 및 전기전도도를 향상시킴에 있어서, Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 효율을 향상시킴과 함께 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시킬 수 있는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In Sikkim the present invention is one made in view the above problems, by the self-doped Ti 4+ of titanium dioxide (TiO 2) to Ti 3+ improve the light absorptivity of the titanium dioxide and the electrical conductivity, Ti 4+ Doped titanium dioxide photoelectrode capable of enhancing the self-doping efficiency of Ti 3+ to Ti 3+ and inhibiting the reoxidization of Ti 3+ to Ti 4+ , and a photoelectron utilizing a self-doped titanium dioxide photoelectrode The object of the present invention is to provide a chemical water treatment apparatus.

또한, 본 발명은 이산화티타늄(TiO2)의 결정화 전에 Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 공정을 진행하여 자가도핑이 이산화티타늄(TiO2)의 표면 뿐만 아니라 내부에서도 진행되도록 함으로써 이산화티타늄(TiO2)의 에너지밴드갭(energy bandgap)을 낮추어 이산화티타늄의 광흡수율 및 전기전도도 특성을 보다 더 향상시킬 수 있는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.The present invention is titanium dioxide (TiO by ensuring that the process proceeds to a Ti 3+ Ti 4+ self-doping step prior to the crystallization of the titanium dioxide (TiO 2) a self-doped, as well as progress in the internal surface of the titanium dioxide (TiO 2) 2 ) to improve the light absorption and electrical conductivity of titanium dioxide by lowering the energy band gap of the titanium dioxide, and a photoelectrochemical method using a self-doped titanium dioxide photoelectrode Another object is to provide a water treatment apparatus.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법은 티타늄 모재를 불소함유 전해질에 넣고 양극산화시켜 티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체를 형성하는 단계; 상기 티타늄 모재를 열처리하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계; 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 포함한 티타늄 모재 상에 조촉매 나노입자를 증착하는 단계; 조촉매 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 pH 버퍼용액에 넣고 전원을 인가하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+를 Ti3+로 환원시키는 단계; 및 Ti3+가 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 소성하여 자가도핑된 결정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a self-doped titanium dioxide photoelectrode, comprising: forming a titanium oxide nanostructure on a titanium base material by anodizing a titanium base material into a fluorine-containing electrolyte; Heat treating the titanium base material to convert it into an amorphous titanium oxide nanostructure; Depositing a promoter nanoparticle on a titanium base material including an amorphous titanium oxide nanostructure; A step of reducing the Ti 4+ of the amorphous titanium oxide nanostructure to Ti 3+ by applying a power source to the titanium base material deposited with the catalyst nanoparticles in the pH buffer solution; Characterized in that comprises a; and Ti 3+ is self-converting to a self-doping by firing doped amorphous titanium oxide nano-crystalline structure of titanium oxide nano-structure.

상기 조촉매 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 pH 버퍼용액에 넣고 전원을 인가하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+를 Ti3+로 환원시키는 단계;는, pH 버퍼용액의 수소이온(H+)과 Ti4+이온의 반응에 의한 Ti4+의 Ti3+로의 환원과정이 진행됨과 함께, 비정질 티타늄산화물 나노구조체에 산소공공(oxygen vacancy)이 형성되고, 산소공공(oxygen vacancy)과 Ti4+이온의 반응에 의한 Ti4+의 Ti3+로의 환원과정이 진행된다.The step of putting the titanium base material to which the co-catalyst nanoparticles deposited in the pH buffer solution is applied to the reduction of Ti 4+ to Ti of the amorphous titanium oxide nanostructure 3+ power; is a hydrogen ion (H +) the pH buffer solution and Ti 4+ ions Ti 4+ of by reaction with the progress of the reduction process to Ti 3+, the oxygen vacancy (oxygen vacancy) in the amorphous titanium oxide nano-structure is formed, and oxygen vacancies (oxygen vacancy) and Ti 4+ The reduction of Ti 4+ to Ti 3+ by the reaction of ions proceeds.

조촉매 나노입자가 산화물로 산화되어 조촉매 나노입자가 위치한 부위의 비정질 티타늄산화물 나노구조체에 산소공공(oxygen vacancy)이 생성되며, 생성된 산소공공(oxygen vacancy)은 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온과 반응하여, Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원된다.Oxygen vacancies are generated in the amorphous titanium oxide nanostructure where the co-catalyst nanoparticles are oxidized to oxide nanoparticles where the co-catalyst nanoparticles are located, and the generated oxygen vacancies are converted into the Ti 4 of the amorphous titanium oxide nanostructure + Ions, and the Ti 4+ ions are reduced to Ti 3+ ions.

상기 조촉매 나노입자는 전이금속이다. 또한, 상기 조촉매 나노입자는 백금계열의 전이금속이며, Pt와 Pd 중 어느 하나이다. 이와 함께, 상기 조촉매 나노입자는 Cu와 Ag 중 어느 하나이다.The co-catalyst nanoparticles are transition metals. The co-catalyst nanoparticles are platinum-based transition metals, and are either Pt or Pd. In addition, the co-catalyst nanoparticles are either Cu or Ag.

상기 pH 버퍼용액은 KH2PO4 용액, NaHCO3 용액 중 어느 하나이다.The pH buffer solution is any one of a KH 2 PO 4 solution and a NaHCO 3 solution.

본 발명에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치는 광전기화학 반응이 진행되는 공간을 제공하는 광전기화학 수처리조; 상기 광전기화학 수처리조에 구비된 광양극 및 음극; 광양극 및 음극에 전원을 인가하는 전압공급장치; 및 광양극에 가시광선 또는 자외선을 조사하는 광원;을 포함하여 이루어지며, 상기 광양극은 전이금속 산화물을 구비함과 함께 Ti3+이온이 자가도핑된 이산화티타늄 광전극인 것을 특징으로 한다.The photoelectrochemical water treatment apparatus using the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the present invention includes a photoelectrochemical water treatment tank providing a space where the photoelectrochemical reaction proceeds; A photocathode and a cathode provided in the photoelectrochemical water treatment tank; A voltage supply device for applying power to the cathode and the cathode; And a light source for irradiating a visible ray or ultraviolet ray to the photocathode, wherein the photocathode is a titanium dioxide photo electrode having a transition metal oxide and a Ti 3+ ion self-doped.

상기 음극은 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매가 담지된 전도성물질로 구성되며, 상기 음극에 전원 인가시 용존산소, 음극의 환원반응에 의해 생성되는 수소이온(H+) 그리고 2전자(2e-) 간의 반응에 의해 과산화수소(H2O2)가 생성된다.The negative electrode is composed of a conductive material, two electron reduction the catalyst is supported as possible of the dissolved oxygen, dissolved when the power is applied to the cathode oxygen, hydrogen ions produced by the reduction reaction of the negative electrode (H +) and the second electronic (2e - Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is produced by the reaction between the hydrogen peroxide

상기 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매는 탄소나노튜브, 그래핀산화물(graphene oxide), 탄소섬유 중 어느 하나이다. 또한, 상기 전이금속 산화물은 백금계열 전이금속의 산화물이거나 구리산화물(CuO)과 은 산화물(AgO) 중 어느 하나이다.The catalyst capable of two-electron reduction of dissolved oxygen is any one of carbon nanotubes, graphene oxide, and carbon fibers. In addition, the transition metal oxide is an oxide of a platinum transition metal, or a copper oxide (CuO) and a silver oxide (AgO).

상기 광전기화학 반응은 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 광촉매 기작에 의해 생성된 수산화래디컬(·OH)과 유기오염물질과의 반응, 전원 인가에 의해 음극에서 생성된 과산화수소(H2O2)과 유기오염물질과의 반응을 포함한다.The photo-electrochemical reaction is a reaction between organic radicals (OH) generated by a photocatalytic mechanism of a self-doped titanium dioxide photoelectrode and an organic contaminant, the reaction between hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) Includes reactions with contaminants.

본 발명에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.The self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the present invention and the photoelectrochemical water treatment apparatus using the self-doped titanium dioxide photoelectrode have the following effects.

이산화티타늄에 Ti3 +를 자가도핑시켜 광흡수 및 전기전도도 특성을 향상시킴에 있어서, 백금계열 전이금속의 산화를 통해 이산화티타늄에 산소공공(oxygen vacancy)를 형성시켜 Ti3 +이 산소공공(oxygen vacancy)에 결합되도록 함으로써 Ti3 +의 재산화를 억제시킬 수 있다.According to enhance the optical absorption and electrical conductivity characteristics by doping self the Ti 3 + for titanium dioxide, platinum-based transition to form an oxygen vacancy (oxygen vacancy) the titanium dioxide through the oxidation of the metal Ti 3 + the oxygen vacancy (oxygen by so coupling the vacancy) it can inhibit re-oxidation of the Ti 3 +.

또한, 이산화티타늄 나노구조체의 결정화 공정 진행 전에 자가도핑 공정을 진행하여 이산화티타늄 내부에서의 자가도핑 비율을 높임으로써 이산화티타늄의 에너지밴드갭을 낮추어 광흡수 및 전기전도도 특성을 보다 향상시킬 수 있다.Further, the self-doping process is performed before the crystallization process of the titanium dioxide nanostructure is performed to increase the self-doping ratio within the titanium dioxide, thereby lowering the energy band gap of the titanium dioxide, thereby further improving the light absorption and electrical conductivity characteristics.

이와 함께, 광전기화학적 수처리장치를 구성함에 있어서 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매를 음극에 담지시킴으로써 수소이온(H+)의 생성은 억제시킴과 함께 수처리 산화제인 과산화수소(H2O2)의 생성은 촉진시켜 수처리 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the generation of Photoelectrochemical according as the water purifying apparatus constructed by supporting a two-electron reduction the catalyst capable of dissolved oxygen in the negative electrode produced in the hydrogen ion (H +) is a hydrogen peroxide (H 2 O 2) in the water treatment oxidant with Sikkim inhibition The water treatment efficiency can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치의 구성도.
도 3은 실험예 1에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극과 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 표면에 대해 각각 X-ray Photoelectron spectroscopy로 측정한 결과를 도시한 결과.
도 4는 실험예 3에서 광원과 전압인가 조건의 변화에 따른 메틸렌블루의 제거효율을 측정한 결과.
도 5는 실험예 3에서 광원과 전압인가 조건의 변화에 따른 대장균의 제거효율을 측정한 결과.
도 6은 실험예 3에서 광원의 변화에 따른 메틸렌블루의 제거효율을 측정한 결과.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a self-doped titanium dioxide photoelectrode according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view of an electro-optic chemical water treatment apparatus using a self-doped titanium dioxide photoelectrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy on the surfaces of the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Experimental Example 1 and the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the comparative example.
4 shows the results of measurement of the removal efficiency of methylene blue according to the change of the light source and voltage application conditions in Experimental Example 3. FIG.
FIG. 5 shows the results of measuring the removal efficiency of E. coli according to changes in the light source and voltage application conditions in Experimental Example 3. FIG.
6 is a graph showing the removal efficiency of methylene blue according to the change of the light source in Experimental Example 3. FIG.

본 발명은 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법에 관한 기술을 제시한다.The present invention provides a technique for manufacturing a self-doped titanium dioxide photoelectrode.

이산화티타늄(TiO2)은 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 자외선 조사 환경 하에 수산화래디컬(·OH)를 생성시켜 수중 오염물질을 제거하는 역할을 하며, 전기화학적 수처리장치의 양극(anode)로 사용되는 경우 수중 오염물질의 산화환원반응을 촉진시키는 역할을 한다. 그러나, '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 이산화티타늄(TiO2) 자체는 전기전도도가 낮고 광흡수가 자외선에 한정된 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위해 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+를 Ti3+로 자가도핑의 형태로 환원시키는 기술이 제시된 바 있다(한국등록특허 제1400861호 및 한국등록특허 제1401655호 참조).Titanium dioxide (TiO 2 ), as mentioned in the 'Background of the Invention', plays a role of generating radicals of hydroxyl (· OH) under ultraviolet irradiation environment to remove contaminants in the water, and the anode of the electrochemical water treatment apparatus when used as an anode, promotes the redox reaction of aquatic pollutants. However, as mentioned in the Background of the Invention, titanium dioxide (TiO 2 ) itself has a problem of low electric conductivity and limited light absorption by ultraviolet rays. To solve this problem, TiO 2 of TiO 2 4+ is reduced to a form of self-doping with Ti 3+ (see Korean Patent No. 1400861 and Korean Patent No. 1401655).

본 발명은 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+를 Ti3+로 환원시킨 이른 바, 자가도핑된 이산화티타늄을 제조함에 있어서, Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 효율을 향상시킴과 함께 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시켜 Ti3+에 의한 가시광 흡수능 및 우수한 전기전도도 특성을 유지시킬 수 있는 기술을 제시한다.The present invention relates to a process for preparing self-doped titanium dioxide by reducing Ti 4+ of TiO 2 to Ti 3+ , thereby improving the self-doping efficiency of Ti 4+ to Ti 3+ , 3+ is inhibited from being reoxidized to Ti 4+ , and a technique capable of absorbing visible light by Ti 3+ and maintaining excellent electrical conductivity characteristics is proposed.

Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑 효율을 향상시킴과 함께 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시키기 위한 방법으로, Ti3+의 Ti4+로의 환원과정을 진행하기 전에 이산화티타늄(TiO2)에 백금계열의 조촉매를 증착하는 방법을 적용한다. 이산화티타늄(TiO2)에 증착된 Pt, Pd 등의 백금계열 조촉매는 Ti3+의 Ti4+로의 환원과정에서 PtO, PdO로 산화되며, 백금계열 조촉매가 산화됨에 따라 이산화티타늄(TiO2)에는 산소공공(oxygen vacancy)이 생성된다. 이 과정에서, 이산화티타늄(TiO2)의 Ti4+는 산소공공(oxygen vacancy)과 결합하여 Ti3+로 환원된다. Ti3+가 이산화티타늄(TiO2)의 산소공공(oxygen vacancy)과 결합되는 형태임에 따라, Ti3+가 안정된 형태를 이루며 Ti4+로 재산화되는 것이 억제된다.As a way to suppress with to the Ti 4+ Ti 3+ self improving the doping efficiency of the Ti 3+ it is reoxidized into Ti 4+, titanium dioxide before proceeding with the reduction process to the Ti 4+ Ti 3+ A method of depositing a cobalt-based cocatalyst on TiO 2 is applied. The platinum-series co-catalysts such as Pt and Pd deposited on titanium dioxide (TiO 2 ) are oxidized to PtO and PdO during the reduction of Ti 3+ to Ti 4+ , and titanium dioxide (TiO 2 Oxygen vacancies are generated in the oxygen vacancies. In this process, Ti 4+ of titanium dioxide (TiO 2 ) is combined with oxygen vacancy and reduced to Ti 3+ . Since Ti 3+ is combined with the oxygen vacancy of titanium dioxide (TiO 2 ), Ti 3+ forms a stable form and is inhibited from being reoxidized to Ti 4+ .

Ti4+의 Ti3+로의 환원은 상술한 조촉매 방식 이외에 Ti4+과 수소이온(H+)의 반응에 의해서도 이루어진다. 본 발명에 있어서, Ti4+의 Ti3+로의 환원과정은 pH 버퍼용액 내에서 진행되며, 이에 따라 pH 버퍼용액으로부터 공급되는 수소이온(H+)과 Ti4+의 반응이 유도된다.The reduction of Ti 4+ to Ti 3+ can be achieved by the reaction of Ti 4+ and hydrogen ions (H + ) in addition to the above-described promoter system. In the present invention, the reduction process of Ti 4+ to Ti 3+ proceeds in a pH buffer solution, thereby inducing the reaction of Ti 4+ with the hydrogen ion (H + ) supplied from the pH buffer solution.

정리하면, 본 발명에 있어서 Ti4+의 Ti3+로의 환원은 1) 조촉매의 산화에 의해 생성된 산소공공(oxygen vacancy)과 Ti4+의 반응과 2) pH 버퍼용액의 수소이온(H+)과 Ti4+의 반응 등의 두 가지로 경로로 진행된다. 이와 같이 두 가지 경로로 Ti4+의 Ti3+로의 자가도핑이 진행됨에 따라 자가도핑 효율이 향상되며, 조촉매의 산화에 의해 생성된 산소공공(oxygen vacancy)에 Ti3+의 결합됨에 따라 Ti3+가 Ti4+로 재산화되는 것을 억제시킬 수 있다.In summary, the reduction of Ti 4+ to Ti 3+ in the present invention is accomplished by 1) the reaction of Ti 4+ with the oxygen vacancy produced by the oxidation of the cocatalyst, and 2) the reaction of hydrogen ions (H + ) And the reaction of Ti 4+ . As self-doping of Ti 4+ into Ti 3+ proceeds as described above, the self-doping efficiency is improved, and as the Ti 3+ bonds to the oxygen vacancy generated by the oxidation of the cocatalyst, Ti 3+ can be inhibited from being re-oxidized to Ti 4+ .

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 소형 수처리장치를 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a self-doped titanium dioxide photo-electrode according to an embodiment of the present invention and a photo-electrochemical small-sized water treatment apparatus using a self-doped titanium dioxide photo electrode will be described in detail. First, a method of manufacturing a self-doped titanium dioxide photoelectrode according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1을 참조하면, 판 또는 메쉬(mesh) 형상의 티타늄(Ti) 모재를 준비한다(S101). 티타늄 모재 상의 오염물질을 제거하기 위해 전처리 공정을 적용할 수 있다. 구체적으로, 아세톤 등의 유기용매에 티타늄 모재를 넣고 초음파 세척을 진행할 수 있으며, 티타늄 모재를 옥살산(oxalic acid) 등의 환원용매에 넣고 가열하여 티타늄 모재 상의 자연산화물(native oxide)을 제거할 수 있다.Referring to FIG. 1, a plate or mesh-like titanium (Ti) base material is prepared (S101). A pretreatment process can be applied to remove contaminants on the titanium matrix. Specifically, a titanium base material may be put in an organic solvent such as acetone to perform ultrasonic cleaning, and a native oxide on a titanium base material may be removed by heating a titanium base material in a reducing solvent such as oxalic acid and heating .

전처리 공정이 완료된 상태에서 티타늄산화물 나노구조체 생성과정을 진행한다(S102). 구체적으로, 티타늄 모재를 불소함유 전해질에 넣고 양극산화시켜 티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체 생성시킨다. 구체적으로, 0.1M 내외의 불소이온과 5wt% 내외의 증류수, 1wt% 내외의 젖산(lactic acid)이 포함된 에틸렌글리콜 용액에 티타늄 모재를 위치시키고 Pt 재질의 상대전극 대비 50∼100V의 전압을 티타늄 모재에 1∼3시간 정도 인가하여 티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체를 생성시킨다. 상기 젖산은 에틸렌글리콜 용액에 포함되지 않을 수도 있다. 생성된 티타늄산화물 나노구조체는 나노튜브(nanotube), 나노로드(nanorod), 나노니들(nanoneedle), 나노섬유(nanofiber) 등의 형상을 갖는다.After the pretreatment process is completed, the titanium oxide nanostructure formation process is performed (S102). Specifically, a titanium base material is placed in a fluorine-containing electrolyte and anodized to form a titanium oxide nanostructure on the titanium base material. Specifically, a titanium base material is placed in an ethylene glycol solution containing about 0.1 M of fluorine ions, about 5 wt% of distilled water, about 1 wt% of lactic acid, and a voltage of 50 to 100 V relative to a Pt- The titanium oxide nanostructure is formed on the titanium base material by applying it to the base material for about 1 to 3 hours. The lactic acid may not be contained in the ethylene glycol solution. The resulting titanium oxide nanostructures have shapes such as nanotubes, nanorods, nanoneedles, and nanofibers.

티타늄 모재 상에 생성된 티타늄산화물 나노구조체의 기계적 강도를 증진시키기 위해 생성된 티타늄산화물 나노구조체를 제거하고 재차 양극산화를 진행하여 티타늄산화물 나노구조체를 생성시킬 수도 있다. 생성된 티타늄산화물 나노구조체를 제거한 후 재차 양극산화를 진행하면, 티타늄산화물 나노구조체가 제거된 부위에 티타늄산화물 나노구조체가 우선성장하여 티타늄산화물 나노구조체의 기계적 강도가 향상된다. 생성된 티타늄산화물 나노구조체의 제거는, 10wt% 내외의 에탄올을 포함한 증류수 내에서 초음파 처리하여 달성할 수 있으며, 에탄올의 첨가는 생략할 수 있다.The titanium oxide nanostructure produced in order to enhance the mechanical strength of the titanium oxide nanostructure formed on the titanium base material may be removed and the titanium oxide nanostructure may be produced by anodizing again. If the anodic oxidation is performed again after removing the titanium oxide nanostructure, the titanium oxide nanostructure first grows at the site where the titanium oxide nanostructure is removed, thereby improving the mechanical strength of the titanium oxide nanostructure. Removal of the resulting titanium oxide nanostructure can be achieved by ultrasonication in distilled water containing about 10 wt% ethanol, and the addition of ethanol can be omitted.

티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체가 형성된 상태에서, 티타늄 모재를 200℃ 이하의 낮은 온도에서 1시간 정도 소성하여 티타늄산화물 나노구조체를 비정질화함과 함께, 티타늄 모재 및 티타늄산화물 나노구조체에 잔존하는 전해질을 제거한다(S103).In a state where a titanium oxide nanostructure is formed on a titanium base material, the titanium base material is baked at a low temperature of 200 DEG C or less for about 1 hour to amorphize the titanium oxide nanostructure, and an electrolyte remaining in the titanium base material and the titanium oxide nanostructure (S103).

이어, 비정질 티타늄산화물 나노구조체 상에 조촉매 나노입자를 증착하는 과정을 진행한다(S104). 상기 조촉매 나노입자는 Pt, Pd 등의 백금계열 전이금속으로서, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등의 물리기상증착 공정을 통해 증착할 수 있다. 상기 조촉매 나노입자는 후술하는 자가도핑 과정에서 산화물 형태로 산화되며, 조촉매의 산화에 의해 티타늄산화물 나노구조체에 산소공공(oxygen vacancy)가 생성되며, 산소공공(oxygen vacancy)과 Ti4+의 반응이 진행되는데, 이에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다. 또한, 최종 완성되는 자가도핑된 결정질 티타늄산화물 나노구조체가 수처리장치의 소독 목적으로 사용되는 경우, 상기 조촉매 나노입자로 Cu, Ag가 활용될 수도 있다.Next, the process of depositing the promoter nanoparticles on the amorphous titanium oxide nanostructure is performed (S104). The co-catalyst nanoparticles are platinum transition metals such as Pt and Pd, and can be deposited through a physical vapor deposition process such as chemical vapor deposition or sputtering. The co-catalyst nanoparticles are oxidized in the form of oxides in the self-doping process described below. Oxygen vacancies are formed in the titanium oxide nanostructure by oxidation of the cocatalyst, and oxygen vacancy and Ti 4+ The reaction proceeds, which will be described later in detail. Further, when the finally completed self-doped crystalline titanium oxide nanostructure is used for the purpose of disinfecting the water treatment apparatus, Cu or Ag may be utilized as the co-catalyst nanoparticles.

비정질 티타늄산화물 나노구조체 상에 조촉매 나노입자가 증착된 상태에서, 자가도핑 과정을 진행한다(S105). 여기서, 자가도핑이라 함은 비정질 티타늄산화물 나노구조체에 Ti3+이온이 도핑되는 효과를 의미하는 것으로서, 실제적으로는 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원되는 현상이다. 자기도핑 과정은 다음의 과정으로 진행된다.In a state where the catalyst nanoparticles are deposited on the amorphous titanium oxide nanostructure, a self-doping process is performed (S105). Here, self-doping refers to the effect of doping Ti 3+ ions into an amorphous titanium oxide nanostructure, and actually, a Ti 4+ ion of an amorphous titanium oxide nanostructure is reduced to Ti 3+ ions. The self-doping process proceeds as follows.

pH 버퍼용액에 조촉매 나노입자가 증착된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 포함하는 티타늄 모재를 음극으로 위치시킨 후, 상대전극에 10∼20mA/cm2의 전류밀도로 60∼240초 동안 전원을 인가한다. 이와 같은 전원 인가에 의해, 티타늄 모재에서는 음극환원이 발생되어 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원된다.After the titanium base material including the amorphous titanium oxide nanostructure having the catalyst nanoparticles deposited on the pH buffer solution is placed on the cathode, power is applied to the counter electrode for 60 to 240 seconds at a current density of 10 to 20 mA / cm 2 . By such power application, cathodic reduction occurs in the titanium base material, and the Ti 4+ ions of the amorphous titanium oxide nanostructure are reduced to Ti 3+ ions.

구체적으로, pH 버퍼용액의 수소이온(H+)이 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온과 반응하여 Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원된다(아래의 식 1 참조). pH 버퍼용액으로는 KH2PO4 용액, NaHCO3 용액을 이용할 수 있다. pH 버퍼용액의 수소이온(H+)과 Ti4+이온의 반응에 의한 Ti4+의 Ti3+로의 환원은 양성자 삽입(proton intercalation)에 의한 환원반응으로 정의할 수 있다.Specifically, the hydrogen ions (H +) amorphous Ti 4+ ions to Ti 4+ ions and reaction of the titanium oxide nano-structure of the pH buffer solution is reduced to Ti 3+ ion (see formula 1 below). As the pH buffer solution, a KH 2 PO 4 solution or a NaHCO 3 solution can be used. The reduction of Ti 4+ to Ti 3+ by the reaction of hydrogen ions (H + ) and Ti 4+ ions in the pH buffer solution can be defined as a reduction reaction by proton intercalation.

Ti4+의 Ti3+로의 환원은 양성자 삽입(proton intercalation)에 의한 환원반응 이외에 산소공공(oxygen vacancy)와 Ti4+이온의 반응에 의해서도 진행된다. 구체적으로, 상술한 자가도핑 과정에서 비정질 티타늄산화물 나노구조체 상에 증착된 Pt 또는 Pd 등의 조촉매 나노입자는 PtO 또는 PdO의 산화물로 산화된다. 조촉매 나노입자가 산화물로 변환됨에 따라, 조촉매 나노입자가 위치한 부위의 비정질 티타늄산화물 나노구조체에는 산소공공(oxygen vacancy)가 생성된다. 생성된 산소공공(oxygen vacancy)은 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온과 반응하며, 이에 따라 Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원된다(아래의 식 2 참조).The reduction of Ti 4+ to Ti 3+ proceeds by the reaction of oxygen vacancy and Ti 4+ ions in addition to the reduction reaction by proton intercalation. Specifically, the co-catalyst nanoparticles such as Pt or Pd deposited on the amorphous titanium oxide nanostructure in the above-described self-doping process are oxidized to PtO or PdO. As the promoter nanoparticles are converted into oxides, oxygen vacancies are formed in the amorphous titanium oxide nanostructures at the sites where the promoter nanoparticles are located. The resulting oxygen vacancy reacts with the Ti 4+ ion of the amorphous titanium oxide nanostructure, and thus the Ti 4+ ion is reduced to Ti 3+ ions (see Equation 2 below).

Ti4+를 Ti3+로 환원시켜 이산화티타늄에 Ti3+를 자가도핑시키는 이유는, 전술한 바와 같이 Ti3+에 의해 광흡수 파장대가 가시광 영역으로 확대됨과 함께 이산화티타늄의 전기전도도가 향상되기 때문이다. 따라서, Ti3+에 의한 광흡수 및 전기전도도 특성이 유지되기 위해서는 Ti3+의 Ti4+로의 재산화가 억제될 필요가 있다.By reduction of Ti 4+ to Ti 3+ reason for the self-doped titanium dioxide is Ti 3+, is the electrical conductivity of the titanium dioxide is improved along with the expansion of the light absorption wavelength band is a visible light region by the Ti 3+, as described above Because. Thus, to be a light absorbing characteristic and electrical conductivity by maintaining Ti 3+ needs to be suppressed to the reoxidation of Ti 4+ Ti 3+.

본 발명의 경우, 양성자 삽입(proton intercalation)에 의한 환원반응 이외에 조촉매 나노입자의 산화에 의해 생성된 산소공공(oxygen vacancy)과 Ti4+의 반응을 통해 Ti4+의 Ti3+로의 환원반응이 진행되고, 환원된 Ti3+이온이 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 산소공공(oxygen vacancy)에 결합된 형태를 이룸에 따라, Ti3+가 안정된 형태를 이루어 Ti4+로 재산화되는 것이 억제된다.In the case of the present invention, besides the reduction reaction by proton intercalation, the reduction reaction of Ti 4+ to Ti 3+ through the reaction of Ti 4+ with the oxygen vacancy generated by the oxidation of the promoter nanoparticles And the reduced Ti 3+ ion is bonded to the oxygen vacancy of the amorphous titanium oxide nanostructure, the stabilization of Ti 3+ is inhibited from being re-oxidized to Ti 4+ .

(식 1) (Equation 1)

Ti4+ + H+ + e- → Ti3+H+ Ti 4+ + H + + e - & gt ; Ti 3+ H +

(식 2) (Equation 2)

Ti4 +-O-Ti4 + + Pd(0) → Ti3 +-V-Ti3 + + Pd2 +O (V: Oxygen Vacancy) Ti 4 + -O-Ti 4 + + Pd (0)? Ti 3 + -V-Ti 3 + + Pd 2 + O (V:

상술한 자가도핑 과정을 통해 Ti3+이온이 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체가 완성된다. 이와 같은 상태에서, 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 Ar, N2 등의 불활성가스 분위기 하에서 400∼500℃의 온도에서 1∼2시간 소성하여 비정질상의 티타늄산화물 나노구조체를 결정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키면 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법은 완료된다(S106)(S107). 최종 완성된 자가도핑된 결정질 티타늄산화물 나노구조체 즉, 자가도핑된 이산화티타늄 광전극은 아나타제(anatase) 결정상을 이룰 수 있다.The amorphous titanium oxide nanostructure having self-doped Ti 3+ ions is completed through the above-described self-doping process. In this state, the self-doped amorphous titanium oxide nanostructure is fired at 400 to 500 DEG C for 1 to 2 hours under an inert gas atmosphere such as Ar and N2 for 1 to 2 hours to convert the amorphous titanium oxide nanostructure into crystalline titanium oxide nanostructure And the method of manufacturing the self-doped titanium dioxide light electrode is completed (S106) (S107). The final completed self-doped crystalline titanium oxide nanostructure, that is, the self-doped titanium dioxide photoelectrode, can be anatase crystalline.

한편, 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 결정화를 위한 소성공정 전에 자가도핑 과정이 진행됨에 따라, 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 표면 뿐만 아니라 내부에서도 자가도핑 과정이 진행되어 이산화티타늄(TiO2)의 에너지밴드갭(energy bandgap)이 낮아져 이산화티타늄의 광흡수율 및 전기전도도가 향상된다. 이와 같은 에너지밴드갭 특성은 후술하는 실험결과에 의해 뒷받침된다.On the other hand, the amorphous titanium oxide in accordance with the self-doping process proceeds before sintering step for crystallization of the nanostructure, amorphous titanium oxide surface self-doping process in the internal as well as of the nano-structures are in progress of titanium dioxide (TiO 2) the energy band gap of the ( energy bandgap) is lowered, so that the light absorption rate and electrical conductivity of titanium dioxide are improved. Such an energy bandgap characteristic is supported by the experimental results described later.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법을 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치에 대해 설명하기로 한다.The method of manufacturing the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to an embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, a photoelectrochemical water treatment apparatus using a self-doped titanium dioxide photo electrode according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치는 광전기화학 수처리조(110)를 구비한다.Referring to FIG. 2, an electro-optic chemical water treatment apparatus using a self-doped titanium dioxide photoelectrode according to an embodiment of the present invention includes a photoelectric chemical water treatment tank 110.

상기 광전기화학 수처리조(110)는 광전기화학 반응이 진행되는 공간을 제공하며, 광전기화학 반응에 의해 수처리조 내의 수중 유기오염물질은 환원, 제거된다. 상기 광전기화학 반응이라 함은 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 광촉매 기작에 의해 생성된 수산화래디컬(·OH)과 유기오염물질과의 반응, 전원 인가에 의해 음극에서 생성된 과산화수소(H2O2)과 유기오염물질과의 반응을 포함하는 의미이다.The optoelectrochemical water treatment tank 110 provides a space where the photoelectrochemical reaction proceeds, and organic organic contaminants in the water in the water treatment tank are reduced and removed by photoelectrochemical reaction. The photoelectrochemical reaction is a reaction between a radical of hydroxide (.OH) generated by a photocatalytic mechanism of a self-doped titanium dioxide photoelectrode and an organic contaminant, a reaction between an organic contaminant and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) And the reaction with organic contaminants.

상기 광전기화학 수처리조(110) 내에는 수중에 침지되는 광양극(photo-anode)(121)과 음극(cathode)(122)이 구비되며, 상기 광전기화학 수처리조(110)의 일측에는 광양극(121) 및 음극(122)에 전원을 인가하는 전압공급장치(130)가 구비된다. 또한, 상기 광전기화학 수처리조(110)의 일측에는 광양극(121)에 가시광선 또는 자외선을 조사하는 광원(도시하지 않음)이 구비된다.The photovoltaic chemical water treatment tank 110 is provided with a photo-anode 121 and a cathode 122 which are immersed in water and a photovoltaic electrode 121 and a voltage supply device 130 for applying power to the cathode 122 are provided. In addition, a light source (not shown) for irradiating visible light or ultraviolet light to the photolithography pole 121 is provided at one side of the optoelectrochemical water treatment bath 110.

상기 광양극(121)은 전극의 역할 이외에 광조사시 즉, 가시광선 또는 자외선 조사시 광촉매 반응을 통해 수산화래디컬(·OH)을 생성시키는 광촉매 역할을 하며, 상기 광양극(121)으로는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조되는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극이 적용된다. 즉, 상기 광양극(121)은 본 발명에 따른 전이금속 산화물을 구비함과 함께 Ti3+이온이 자가도핑된 이산화티타늄 광전극이 적용된다. 상기 전이금속 산화물을 이루는 전이금속은 Pt, Pd와 같은 백금계열의 전이금속 또는 Cu, Ag 등의 전이금속이 해당된다.In addition to the role of an electrode, the photocathode 121 serves as a photocatalyst for generating radicals of hydroxyl (.OH) through photocatalytic reaction during light irradiation, that is, visible light or ultraviolet light irradiation. A self-doped titanium dioxide photoelectrode manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention is applied. That is, the photodiode 121 is a titanium dioxide photo electrode having a transition metal oxide according to the present invention and self-doped Ti 3+ ions. The transition metal constituting the transition metal oxide may be a platinum transition metal such as Pt or Pd or a transition metal such as Cu or Ag.

백금계열의 전이금속 산화물은 광조사시 생성된 전자를 일시적으로 수용할 수 있는 특성을 갖고 있어, 광조사시 생성된 전자가 정공과의 재결합(recombination)에 의해 소멸되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 병원성미생물 등의 소독용이 목적이면 구리산화물(CuO) 또는 은 산화물(AgO)을 전이금속 산화물로 이용할 수 있으며, 백금계열의 전이금속 산화물을 함께 적용하는 것도 물론 가능하다.The transition metal oxide of the platinum series has a characteristic capable of temporarily accommodating electrons generated upon irradiation of light, and it is possible to prevent the electrons generated in light irradiation from being eliminated by recombination with holes. On the other hand, copper oxide (CuO) or silver oxide (AgO) can be used as the transition metal oxide if it is an objective of disinfection of pathogenic microorganisms and the like, and it is also possible to apply a platinum transition metal oxide together.

상기 음극(122)은 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매가 담지된 전도성물질로 구성된다. 구체적으로, 흑연, 스테인리스스틸, 티타늄 등의 전도성물질에 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매가 담지된 것을 음극으로 적용할 수 있으며, 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매로는 탄소나노튜브, 그래핀산화물(graphene oxide), 탄소섬유 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 상기 탄소나노튜브, 그래핀산화물(graphene oxide), 탄소섬유 등의 촉매는 수중의 용존산소, 음극의 환원반응에 의해 생성되는 수소이온(H+) 그리고 2전자(2e-) 간의 반응을 촉진시켜 용존산소를 과산화수소(H2O2)로 환원시키는 역할을 한다. 음극의 환원반응에 의해 생성되는 수소이온(H+)은 안전상의 문제를 유발시킬 수 있는데, 상술한 용존산소의 2전자 환원반응에 의해 제거되며, 이와 함께 용존산소의 2전자 환원반응에 의해 과산화수소(H2O2)라는 수처리 산화제가 생성됨에 따라 광전기화학적 반응에 의한 유기오염물질 제거효율이 향상될 수 있다.The cathode 122 is made of a conductive material carrying a catalyst capable of two-electron reduction of dissolved oxygen. Specifically, a catalyst supporting a two-electron reduction of dissolved oxygen in a conductive material such as graphite, stainless steel, and titanium can be applied to a negative electrode. As a catalyst capable of two-electron reduction of dissolved oxygen, a carbon nanotube, Graphene oxide, or carbon fiber may be used. Catalysts such as carbon nanotubes, graphene oxide, and carbon fibers accelerate the reaction between dissolved oxygen in water and hydrogen ions (H + ) and two electrons (2e - ) generated by the reduction reaction of the negative electrode It serves to reduce dissolved oxygen to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The hydrogen ion (H + ) generated by the reduction reaction of the cathode can cause a safety problem, which is eliminated by the above-described two-electron reduction reaction of dissolved oxygen, (H 2 O 2 ) is produced, the efficiency of removing organic contaminants by photoelectrochemical reaction can be improved.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법 및 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The self-doped titanium dioxide photoelectrode according to one embodiment of the present invention and the photoelectrochemical water treatment apparatus using the self-doped titanium dioxide photoelectrode have been described above. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples.

<실험예 1 : 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조>Experimental Example 1: Production of self-doped titanium dioxide photoelectrode &gt;

99.9% 순도의 티타늄 모재(크기 : 3cm x 2cm)를 0.1M NH4F, 5wt% 증류수, 1wt% 젖산을 포함한 에틸렌글리콜 용액 내에 담그고, 동일한 크기의 플래티늄(Pt) 호일(foil을 약 5cm 간격으로 위치시켰다. 이후, Pt 대비 50V의 전압을 2시간 인가하여 티타늄 표면에 티타늄산화물 나노구조체를 생성시켰다(단계 1).The titanium base material (size: 3 cm x 2 cm) having a purity of 99.9% was immersed in an ethylene glycol solution containing 0.1 M NH 4 F, 5 wt% distilled water and 1 wt% lactic acid and platinum (Pt) foil of the same size After that, a voltage of 50 V versus Pt was applied for 2 hours to form a titanium oxide nanostructure on the titanium surface (Step 1).

이어, 10wt% 내외의 에탄올을 포함한 증류수 내에서 초음파 처리(sonication)하여 1차적으로 생성된 티타늄산화물 나노구조체를 제거하였다(단계 2). 그런 다음, 상기 티타늄산화물 나노구조체 생성조건(단계 1을 의미함)을 동일하게 적용하여 티타늄산화물 나노구조체를 생성시켰다(단계 3). 증류수 세척 후, 대기 환경에서 200℃ 온도에서 1시간 소성하여 표면의 전해질을 제거하였다(단계 4). 이후, 스퍼터링 공정을 이용하여 티타늄산화물 나노구조체가 생성된 티타늄 모재 상에 Pd 나노입자를 증착시켰다(단계 5).Then, sonicated titanium oxide nanostructures were removed by sonication in distilled water containing about 10 wt% ethanol (Step 2). Then, the titanium oxide nanostructure production conditions (step 1) were applied in the same manner to produce the titanium oxide nanostructure (step 3). After washing with distilled water, the surface electrolyte was removed by baking at 200 ° C for 1 hour in an atmospheric environment (Step 4). Thereafter, Pd nanoparticles were deposited on the titanium base material on which the titanium oxide nanostructure was formed by using the sputtering process (Step 5).

0.1M KH2PO4 용액에 NaOH를 첨가하여 중성 pH를 만들고 이 용액에 Pd 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 담그고, 동일한 크기의 플래티늄 호일과 약 5cm 간격으로 위치시킨 후 15mA/cm2의 전류를 90초 동안 인가하여 Pd 나노입자의 산화 및 자가도핑을 유도하였다(단계 6). 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 N2를 주입하는 환경에서 450℃의 온도에서 1시간 고온 소결하여 아나타제 결정상 구조로 변환시켰다(단계 7).NaOH was added to the 0.1 M KH 2 PO 4 solution to make neutral pH. The titanium base material with the Pd nanoparticles deposited was immersed in the solution, and the plate was placed at an interval of about 5 cm from the platinum foil of the same size. Then, a current of 15 mA / (Fig. 1). The oxidation of Pd nanoparticles and self-doping were induced (Step 6). The self-doped amorphous titanium oxide nanostructure was sintered at 450 ° C for 1 hour in an N 2 -injected environment to convert it to anatase crystal structure (Step 7).

또한, 실험예 1에 의해 제조된 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 특성을 비교하기 위해 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 제조하였다. 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극은 실험예 1의 제조과정과 전체적으로 동일하며, 단계 6과 단계 7의 순서만 바꾸어 적용한 것이다.In order to compare the characteristics of the self-doped titanium dioxide photoelectrode prepared in Experimental Example 1, a self-doped titanium dioxide photoelectrode according to a comparative example was prepared. The self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the comparative example is entirely the same as the manufacturing process of Experimental Example 1, and only the procedure of Step 6 and Step 7 is applied.

<실험예 2 : 전기화학적 특성 비교>&Lt; Experimental Example 2: Comparison of electrochemical characteristics >

도 3은 실험예 1에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극과 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 표면에 대해 각각 X-ray Photoelectron spectroscopy로 측정한 결과를 도시한 결과이다. 도 3을 참조하면, 비교예의 경우 이산화티타늄 광전극 표면에서 Ti3+가 관측되는 반면, 실험예 1에서는 Ti3+가 관측되지 않았다. 이를 통해 아나타제 결정상 구조가 형성된 이후에 자가도핑 과정을 진행하면 자가도핑이 표면에만 국한된 반면, 결정화 이전에 자가도핑 과정을 진행한 실험예 1 즉, 본 발명의 경우 자가도핑이 주로 이산화티타늄 내부에서 이루어짐을 알 수 있다.FIG. 3 shows results of X-ray photoelectron spectroscopy on the surfaces of the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Experimental Example 1 and the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the comparative example. 3, the comparison example, while the case where the Ti 3+ observed in titanium dioxide photo-electrode surface, in Experimental Example 1 was not observed the Ti 3+. As a result, self-doping is localized only on the surface, whereas self-doping before crystallization is performed in Experiment 1, that is, in the case of the present invention, self-doping is mainly performed in titanium dioxide .

또한, 실험예 1에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극과 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극에 대해 에너지밴드갭(energy bandgap)을 측정한 결과, 실험예 1은 1.41eV, 비교예는 2.46eV인 것으로 나타나 실험예 1에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극이 더 낮은 에너지의 광을 흡수하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이는 동일한 광조사 조건에서 더 높은 비율로 광에너지를 흡수할 수 있다는 것을 의미한다.The energy bandgap of the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Experimental Example 1 and the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Comparative Example were measured to be 1.41 eV in Experimental Example 1, It can be seen that it is possible for the self-doped titanium dioxide photo-electrode according to Experimental Example 1 to absorb light of lower energy, which can absorb light energy at a higher rate under the same light irradiation condition .

이와 함께, 실험예 1에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극과 비교예에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극에 대해 Electrochemical Impedance Spectroscopy를 이용하여 전기전도도를 대변하는 Donor Density값을 측정한 결과, 실험예 1은 2.69x1025cm-3, 비교예는 1.13x1025cm-3로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 자가도핑된 이산화티타늄 광전극은 기존의 방법보다 광에너지 흡수율 뿐만 아니라 전기전도도의 향상도 우수한 것을 알 수 있다.In addition, the donor density value representing the electrical conductivity was measured using Electrochemical Impedance Spectroscopy for the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Experimental Example 1 and the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to Comparative Example. As a result, 1 2.69x10 25 cm -3, the comparative example appeared to 1.13x10 25 cm -3. Accordingly, it can be seen that the self-doped titanium dioxide photoelectrode according to the present invention has an improved photoelectric conductivity as well as a light energy absorption rate as compared with the conventional method.

<실험예 3 : 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치의 성능평가>EXPERIMENTAL EXAMPLE 3 Performance Evaluation of Photoelectrochemical Water Treatment Device Using Self-Doped Titanium Dioxide Photoelectrode [

자가도핑된 이산화티타늄 광전극 3cm x 2cm를 60mL의 처리대상수에 담그고 상대전극으로 Platinum Wire, 기준전극으로 Ag/AgCl을 사용하였다. 그리고, 400 nm이하의 파장을 갖는 자외선, 400nm이상의 파장을 갖는 가시광, 1V NHE의 인가전압의 다양한 조합으로 에너지를 공급하여 처리대상수의 정화 과정을 관찰하였다. 처리대상수는 10μM의 Methylene Blue 또는 107CFU/mL의 대장균을 사용하였다.A 3 cm x 2 cm self-doped TiO 2 photoelectrode was immersed in 60 mL of the treated water and platinum wire was used as a counter electrode and Ag / AgCl was used as a reference electrode. The purification process of the water to be treated was observed by supplying energy in various combinations of ultraviolet rays having a wavelength of 400 nm or less, visible light having a wavelength of 400 nm or more, and an applied voltage of 1 V NHE. The number of treated cells was 10 μM of Methylene Blue or 10 7 CFU / mL of E. coli.

도 4는 실험예 3에서 광원과 전압인가 조건의 변화에 따른 메틸렌블루의 제거효율을 측정한 결과이다. 도 4를 참조하면, 지표유기물인 메틸렌블루의 제거율은 가시광, 자외선 조사 조건 모두에서 광만 조사하거나 인가전압만 조사한 것보다 광과 인가전압을 함께 공급할 경우 비약적으로 향상되는 것을 확인하였다. 이는 인가전압을 통해 광활성화된 전자가 상대전극으로 유도하고 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 향상된 전기 전도도가 전자의 이동을 용이하게 하기 때문이다.FIG. 4 shows the results of measurement of the removal efficiency of methylene blue according to the change of the light source and voltage application conditions in Experimental Example 3. FIG. Referring to FIG. 4, it was confirmed that the removal efficiency of methylene blue, which is an organic surface material, was dramatically improved when both light and an ultraviolet irradiation condition were irradiated with light alone or applied with both light and applied voltage. This is because the photoelectrically induced electrons are induced to the counter electrode through the applied voltage and the improved electrical conductivity of the self-doped titanium dioxide photoelectron facilitates the electron transfer.

도 5는 실험예 3에서 광원과 전압인가 조건의 변화에 따른 대장균의 제거효율을 측정한 결과이다. 앞서 기술한 바와 같이 광 또는 인가전압을 단독으로 공급하는 것보다 광과 인가전압을 동시에 공급하는 것이 소독 효율 측면에서도 우수한 것(소독율 80~90%)을 확인하였다. 또한, 그 결과를 광전극을 사용하지 않고 자외선만으로 소독능을 평가한 결과(소독율 10% 내외)와 비교해 볼 때에도 우수한 것을 알 수 있다.FIG. 5 shows the results of measuring the removal efficiency of E. coli according to changes in light source and voltage application conditions in Experimental Example 3. FIG. As described above, it was confirmed that supplying light and an applied voltage at the same time was more excellent in disinfection efficiency (disinfection rate of 80 to 90%) than supplying light or applied voltage alone. The results are also excellent in comparison with the result of evaluating the disinfecting ability with only ultraviolet rays (disinfection rate is around 10%) without using the photoelectrode.

도 6은 실험예 3에서 광원의 변화에 따른 메틸렌블루의 제거효율을 측정한 결과이다. 본 결과는 1V NHE의 인가전압 하에서 자외선 또는 가시광을 함께 공급하여 비교한 예이다. 가시광과 자외선 조사 조건에서 모두 본 발명 즉, 실험예 1이 비교예보다 우수한 유기물 제거 성능을 보이는 것을 확인할 수 있고 특히, 가시광 조건에서는 비교예보다 실시예의 유기물 제거 성능이 월등히 높게 나타났다.FIG. 6 shows the results of measurement of the removal efficiency of methylene blue according to the change of the light source in Experimental Example 3. FIG. This result is an example in which ultraviolet rays or visible rays are supplied together under an applied voltage of 1 V NHE. In the visible light and ultraviolet light irradiation conditions, it was confirmed that the present invention, i.e., Experimental Example 1, exhibits superior organic removal performance to that of the Comparative Example, and particularly, in the visible light condition, the organic removal performance of the Examples is much higher than that of Comparative Examples.

110 : 광전기화학 수처리조 121 : 광양극
122 : 음극 130 : 전압공급장치
110: photoelectric chemical water treatment tank 121:
122: cathode 130: voltage supply

Claims (13)

티타늄 모재를 불소함유 전해질에 넣고 양극산화시켜 티타늄 모재 상에 티타늄산화물 나노구조체를 형성하는 단계;
상기 티타늄 모재를 열처리하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계;
비정질 티타늄산화물 나노구조체를 포함한 티타늄 모재 상에 조촉매 나노입자를 증착하는 단계;
조촉매 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 pH 버퍼용액에 넣고 전원을 인가하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+를 Ti3+로 환원시키는 단계; 및
Ti3+가 자가도핑된 비정질 티타늄산화물 나노구조체를 소성하여 자가도핑된 결정질 티타늄산화물 나노구조체로 변환시키는 단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 조촉매 나노입자가 증착된 티타늄 모재를 pH 버퍼용액에 넣고 전원을 인가하여 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+를 Ti3+로 환원시키는 단계;는,
pH 버퍼용액의 수소이온(H+)과 Ti4+이온의 반응에 의한 Ti4+의 Ti3+로의 환원과정이 진행됨과 함께,
비정질 티타늄산화물 나노구조체에 산소공공(oxygen vacancy)이 형성되고, 산소공공(oxygen vacancy)과 Ti4+이온의 반응에 의한 Ti4+의 Ti3+로의 환원과정이 진행되는 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
Forming a titanium oxide nanostructure on a titanium base material by anodizing the titanium base material into a fluorine-containing electrolyte;
Heat treating the titanium base material to convert it into an amorphous titanium oxide nanostructure;
Depositing a promoter nanoparticle on a titanium base material including an amorphous titanium oxide nanostructure;
A step of reducing the Ti 4+ of the amorphous titanium oxide nanostructure to Ti 3+ by applying a power source to the titanium base material deposited with the catalyst nanoparticles in the pH buffer solution; And
Ti 3+ is self-converting to a self-doping by firing doped amorphous titanium oxide nano-crystalline structure of titanium oxide nano-structure; made, including,
The titanium base material on which the catalyst nanoparticles are deposited is placed in a pH buffer solution and power is applied to reduce Ti 4+ of the amorphous titanium oxide nanostructure to Ti 3+ ,
The reduction of Ti 4+ to Ti 3+ by the reaction of hydrogen ions (H + ) and Ti 4+ ions in the pH buffer solution proceeds,
Characterized in that an oxygen vacancy is formed in the amorphous titanium oxide nanostructure and the reduction process of Ti 4+ to Ti 3+ is proceeded by reaction of oxygen vacancy with Ti 4+ ion, Of titanium dioxide photoelectrode.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 조촉매 나노입자가 산화물로 산화되어 조촉매 나노입자가 위치한 부위의 비정질 티타늄산화물 나노구조체에 산소공공(oxygen vacancy)이 생성되며,
생성된 산소공공(oxygen vacancy)은 비정질 티타늄산화물 나노구조체의 Ti4+이온과 반응하여, Ti4+이온이 Ti3+이온으로 환원되는 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
2. The method of claim 1, wherein the promoter nanoparticles are oxidized to form an oxygen vacancy in the amorphous titanium oxide nanostructure at the site where the promoter nanoparticles are located,
Wherein the generated oxygen vacancies react with Ti 4+ ions of the amorphous titanium oxide nanostructure to reduce Ti 4+ ions to Ti 3+ ions.
제 1 항에 있어서, 상기 조촉매 나노입자는 전이금속인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the co-catalyst nanoparticles are transition metals.
제 1 항에 있어서, 상기 조촉매 나노입자는 백금계열의 전이금속이며, Pt와 Pd 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the co-catalyst nanoparticles are platinum-based transition metals and are Pt and Pd.
제 1 항에 있어서, 상기 조촉매 나노입자는 Cu와 Ag 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the co-catalyst nanoparticles are one of Cu and Ag.
제 1 항에 있어서, 상기 pH 버퍼용액은 KH2PO4 용액, NaHCO3 용액 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the pH buffer solution is one of a KH 2 PO 4 solution and a NaHCO 3 solution.
광전기화학 반응이 진행되는 공간을 제공하는 광전기화학 수처리조;
상기 광전기화학 수처리조에 구비된 광양극 및 음극;
광양극 및 음극에 전원을 인가하는 전압공급장치; 및
광양극에 가시광선 또는 자외선을 조사하는 광원;을 포함하여 이루어지며,
상기 광양극은 전이금속 산화물을 구비함과 함께 Ti3+이온이 자가도핑된 이산화티타늄 광전극이며,
상기 광전기화학 반응은 자가도핑된 이산화티타늄 광전극의 광촉매 기작에 의해 생성된 수산화래디컬(·OH)과 유기오염물질과의 반응, 전원 인가에 의해 음극에서 생성된 과산화수소(H2O2)과 유기오염물질과의 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치.
A photoelectric chemical water treatment tank which provides a space where the photoelectric chemical reaction proceeds;
A photocathode and a cathode provided in the photoelectrochemical water treatment tank;
A voltage supply device for applying power to the cathode and the cathode; And
And a light source for irradiating a visible ray or an ultraviolet ray to the glow pole,
Wherein the photocathode is a titanium dioxide photo electrode having a transition metal oxide and self-doped Ti 3+ ions,
The photo-electrochemical reaction is a reaction between organic radicals (OH) generated by a photocatalytic mechanism of a self-doped titanium dioxide photoelectrode and an organic contaminant, the reaction between hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) Wherein the photoelectrochemical water treatment apparatus comprises a self-doped titanium dioxide photoelectrode.
제 8 항에 있어서, 상기 음극은 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매가 담지된 전도성물질로 구성되며,
상기 음극에 전원 인가시 용존산소, 음극의 환원반응에 의해 생성되는 수소이온(H+) 그리고 2전자(2e-) 간의 반응에 의해 과산화수소(H2O2)가 생성되는 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치.
The method as claimed in claim 8, wherein the cathode is made of a conductive material on which a catalyst capable of two-electron reduction of dissolved oxygen is supported,
Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated by a reaction between dissolved oxygen, a hydrogen ion (H + ) and a two electrons (2e - ) generated by a reduction reaction of a cathode upon application of power to the cathode. Photoelectrochemical water treatment system using titanium dioxide photoelectrode.
제 9 항에 있어서, 상기 용존산소의 2전자 환원이 가능한 촉매는 탄소나노튜브, 그래핀산화물(graphene oxide), 탄소섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치.
10. The method of claim 9, wherein the catalyst capable of two-electron reduction of dissolved oxygen is any one of carbon nanotubes, graphene oxide, and carbon fibers. Water treatment device.
제 8 항에 있어서, 상기 전이금속 산화물은 백금계열 전이금속의 산화물이거나 구리산화물(CuO)과 은 산화물(AgO) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치.
9. The photoelectrochemical water treatment apparatus according to claim 8, wherein the transition metal oxide is an oxide of a platinum transition metal or a copper oxide (CuO) and a silver oxide (AgO). .
삭제delete 제 8 항에 있어서, 상기 광양극은 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 자가도핑된 이산화티타늄 광전극인 것을 특징으로 하는 자가도핑된 이산화티타늄 광전극을 이용한 광전기화학적 수처리장치.The self-doped titanium dioxide photoelectrode according to claim 8, wherein the photocathode is a self-doped titanium dioxide photo-electrode produced by the method of any one of claims 1 to 7. Photoelectrochemical water treatment system using.
KR1020170043038A 2017-04-03 2017-04-03 Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof KR101910443B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170043038A KR101910443B1 (en) 2017-04-03 2017-04-03 Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170043038A KR101910443B1 (en) 2017-04-03 2017-04-03 Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180112314A KR20180112314A (en) 2018-10-12
KR101910443B1 true KR101910443B1 (en) 2018-10-24

Family

ID=63876429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170043038A KR101910443B1 (en) 2017-04-03 2017-04-03 Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101910443B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200064878A (en) 2018-11-29 2020-06-08 포항공과대학교 산학협력단 Photoelectrochemical water treatment apparutus and water treatment method using the same
KR20230156243A (en) 2022-05-04 2023-11-14 전북대학교산학협력단 Selective synthesis method of Ti oxide nanocomposite for rapid water purification and the synthesized visible light photocatalysts

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102156236B1 (en) * 2019-04-16 2020-09-15 울산과학기술원 Lignin conversion apparatus including three-divided region and lignin conversion method including the same
KR102366774B1 (en) * 2019-11-29 2022-02-23 포항공과대학교 산학협력단 Photoelectrode for photoelectrochemical water treatment, manufacturing method of the same, and use of the same
CN112642464B (en) * 2020-09-22 2022-08-12 宁波大学科学技术学院 Method for preparing mesoporous silicon modified trivalent titanium self-doped titanium dioxide nanotube photoelectrode
CN113189174B (en) * 2021-02-09 2023-08-04 同济大学 Titanium dioxide photoelectrode with three-dimensional crystal plane crystallization property and preparation and application thereof
KR102549387B1 (en) * 2021-05-13 2023-06-30 울산과학기술원 Catalytic system for manufacturing propylene oxide and the manufacturing method of propylene oxide
CN114097876B (en) * 2021-11-16 2024-09-06 海信冰箱有限公司 Fruit and vegetable fresh-keeping device and refrigerator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009519204A (en) * 2005-12-13 2009-05-14 ユニバーシティ・オブ・ネバダ・リノ Production of nanotube titania substrates with deposited gold and carbon particles and their use in water photoelectrolysis
KR101400861B1 (en) * 2013-03-29 2014-05-29 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Method for manufacturing cathodized visible light sensitive titanium oxide nano structure
KR101514276B1 (en) * 2013-11-20 2015-04-23 한국전기연구원 Nanocarbon-based TCO- and Pt-free counter electrodes for dye-sensitized solar cell and its method
KR101709014B1 (en) * 2015-09-17 2017-03-09 한양대학교 산학협력단 Photoelectrochemical Electrode and Device comprising the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009519204A (en) * 2005-12-13 2009-05-14 ユニバーシティ・オブ・ネバダ・リノ Production of nanotube titania substrates with deposited gold and carbon particles and their use in water photoelectrolysis
KR101400861B1 (en) * 2013-03-29 2014-05-29 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Method for manufacturing cathodized visible light sensitive titanium oxide nano structure
KR101514276B1 (en) * 2013-11-20 2015-04-23 한국전기연구원 Nanocarbon-based TCO- and Pt-free counter electrodes for dye-sensitized solar cell and its method
KR101709014B1 (en) * 2015-09-17 2017-03-09 한양대학교 산학협력단 Photoelectrochemical Electrode and Device comprising the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200064878A (en) 2018-11-29 2020-06-08 포항공과대학교 산학협력단 Photoelectrochemical water treatment apparutus and water treatment method using the same
KR20230156243A (en) 2022-05-04 2023-11-14 전북대학교산학협력단 Selective synthesis method of Ti oxide nanocomposite for rapid water purification and the synthesized visible light photocatalysts

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180112314A (en) 2018-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101910443B1 (en) Method for fabricating self-doped titanium dioxide photoanode and photoelectrochemical small-scale water purification system thereof
Koo et al. Photoelectrochemical degradation of organic compounds coupled with molecular hydrogen generation using electrochromic TiO2 nanotube arrays
Hou et al. Photoeletrocatalytic activity of a Cu2O-loaded self-organized highly oriented TiO2 nanotube array electrode for 4-chlorophenol degradation
Hou et al. Photocatalytic generation of H2O2 by graphene oxide in organic electron donor-free condition under sunlight
Zhou et al. Fabricating MoS2 nanoflakes photoanode with unprecedented high photoelectrochemical performance and multi-pollutants degradation test for water treatment
Bessegato et al. Enhancement of photoelectrocatalysis efficiency by using nanostructured electrodes
Md Saad et al. Two-dimensional, hierarchical Ag-doped TiO2 nanocatalysts: effect of the metal oxidation state on the photocatalytic properties
Bak et al. Effect of crystal imperfections on reactivity and photoreactivity of TiO2 (rutile) with oxygen, water, and bacteria
Xu et al. Improving photo-oxidation activity of water by introducing Ti3+ in self-ordered TiO2 nanotube arrays treated with Ar/NH3
Lai et al. Effect of Applied Potential on the Formation of Self‐Organized TiO2 Nanotube Arrays and Its Photoelectrochemical Response
Li et al. Self-organized nitrogen and fluorine co-doped titanium oxide nanotube arrays with enhanced visible light photocatalytic performance
Yin et al. Fabrication of plasmonic Au/TiO2 nanotube arrays with enhanced photoelectrocatalytic activities
Zhang et al. Highly ordered TiO2 nanotube arrays: recent advances in fabrication and environmental applications—a review
Lai et al. Preparation and photoelectrochemical characterization of WO3-loaded TiO2 nanotube arrays via radio frequency sputtering
Zhang et al. Enhanced visible light photocatalytic activity for TiO2 nanotube array films by codoping with tungsten and nitrogen
Lim et al. Anodization parameters influencing the growth of titania nanotubes and their photoelectrochemical response
Subramanian et al. TiO2 nanotubes and its composites: Photocatalytic and other photo-driven applications
KR102366774B1 (en) Photoelectrode for photoelectrochemical water treatment, manufacturing method of the same, and use of the same
Lai et al. A novel solar driven photocatalyst: well‐aligned anodic WO3 Nanotubes
Hou et al. Enhanced photoelectrocatalytic degradation of organic pollutants using TiO 2 nanotubes implanted with nitrogen ions
Dong et al. NaBH4 reduction of TiSiO nanotubes photoanode for high-efficiency photoelectrochemical water splitting
Cho et al. Enhanced photocatalytic activity of TiO2 nanotubes decorated with erbium and reduced graphene oxide
Meftahi et al. Fabrication of Mo-doped TiO2 nanotube arrays photocatalysts: The effect of Mo dopant addition time to an aqueous electrolyte on the structure and photocatalytic activity
Boyle et al. The use of titanium dioxide nanotubes as photoanodes for chloride oxidation
Hosseinzadeh et al. A novel ternary Ti-V-Bi oxide photoelectrocatalyst in advanced oxidation process

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant