KR102188852B1 - 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시킴으로써 이산화티타늄의 광촉매 특성을 발현함과 함께 탄소나노튜브의 제반 특성을 활용하고, 이산화티타늄 나노입자의 탈락을 억제시켜 광촉매 소재의 내구성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법은 탄소나노튜브를 준비하는 단계; 탄소나노튜브에 대해 열처리 및 염산처리를 실시하여 내부공간을 포함한 탄소나노튜브의 표면에 표면결함을 형성하는 단계; 질산과 황산의 혼합용액에 탄소나노튜브를 침지시켜 표면결함이 존재하는 위치에 친수성 기능기를 형성하는 단계; 친수성 기능기가 형성된 탄소나노튜브와 이산화티타늄 전구체를 혼합한 후 분쇄하여 탄소나노튜브의 친수성 기능기에 이산화티타늄 전구체를 결합시키는 단계; 및 이산화티타늄 전구체가 결합된 탄소나노튜브에 대해 열가수분해를 실시하여, 이산화티타늄 나노입자를 생성시킴과 함께 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시킴으로써 이산화티타늄의 광촉매 특성을 발현함과 함께 탄소나노튜브의 제반 특성을 활용하고, 이산화티타늄 나노입자의 탈락을 억제시켜 광촉매 소재의 내구성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자외선 조사 하에 초과산화물(O2·-), 수산화래디컬(·OH) 등의 다양한 활성산소를 발생시키는 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매 특성은 수처리 기술에 널리 이용되고 있다. 이산화티타늄의 광촉매 반응에 의해 생성되는 활성산소를 통해 수계에 존재하는 악취물질, 바이러스, 박테리아 등의 미생물 및 휘발성유기화합물(VOCs)을 효과적으로 제거할 수 있다.
이와 같은 이산화티타늄의 광촉매 특성을 수처리 공정에 이용하기 위해서는 이산화티타늄이 담체에 고정될 필요가 있다. 이산화티타늄을 분말 형태로 그대로 수처리 공정에 이용하게 되면 별도의 분리막을 통해 이산화티타늄 입자를 회수해야 하는 문제점이 있기 때문이다.
이산화티타늄 입자가 고정화되는 담체로 기판을 고려할 수 있다. 기판에 이산화티타늄 입자를 고정화시키는 경우 상대적으로 적은 양의 이산화티타늄이 소요되고 재사용이 가능하다는 장점이 있다. 이산화티타늄 입자를 기판에 고정시키는 기술로 한국등록특허 제0503233호 '광촉매 박막의 제조 방법 및 이를 이용한 수처리 장치', 한국등록특허 제0643096호 '폴리카보네이트 멤브레인을 이용한 이산화티타늄 나노구조체 제조 방법 및 이에 의해 제조된 광촉매용 이산화티타늄 나노구조체', 한국등록특허 제0886906호 '나노 다공성 광촉매 티타니아 표면을 구비한 티타늄 분리막의 제조 방법' 등이 있다.
이와 관련하여, 본 출원인은 열압착 통해 분리막 상에 이산화티타늄 나노구조체를 고정시키는 기술(한국등록특허 제10-1370006호 참조). 이산화티타늄 나노입자를 전기방사하여 PVDF 나노섬유층에 고정화시키는 기술(한국공개특허 제10-2016-9893호 참조)을 제시한 바 있다.
본 발명은 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시킴으로써 이산화티타늄의 광촉매 특성을 발현함과 함께 탄소나노튜브의 제반 특성을 활용하고, 이산화티타늄 나노입자의 탈락을 억제시켜 광촉매 소재의 내구성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재는 탄소나노튜브를 구성하는 벽 안쪽의 내부공간을 구비하며, 친수성 기능기에 의해 친수성 표면을 갖는 탄소나노튜브; 및 탄소나노튜브의 내부공간에 고정화된 이산화티타늄 나노입자;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled CNT), 탄소나노튜브(multi-walled CNT) 중 어느 하나이다.
상기 친수성 기능기는 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 에폭시기 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법은 탄소나노튜브를 준비하는 단계; 탄소나노튜브를 전처리하여 비결정질 탄소 및 잔존 금속을 제거하는 단계; 질산과 황산의 혼합용액에 탄소나노튜브를 침지시켜 내부공간 주변을 포함한 탄소나노튜브의 표면에 친수성 기능기를 형성하여 탄소나노튜브를 친수성으로 개질하는 단계; 친수성의 탄소나노튜브와 이산화티타늄 전구체를 혼합한 후 분쇄하여 탄소나노튜브의 표면에 이산화티타늄 전구체를 결합시키는 단계; 및 이산화티타늄 전구체가 결합된 탄소나노튜브에 대해 열가수분해를 실시하여, 이산화티타늄 나노입자를 생성시킴과 함께 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이산화티타늄 전구체와 탄소나노튜브의 혼합시, 이산화티타늄 전구체는 탄소나노튜브 대비 10∼50mol%의 비율로 혼합될 수 있다. 상기 이산화티타늄 전구체는 옥시황산티탄(TiOSO4·xH2O)을 이용할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled CNT), 탄소나노튜브(multi-walled CNT) 중 어느 하나이며, 상기 내부공간은 탄소나노튜브의 벽 내부공간이다.
세척 공정을 실시하여 탄소나노튜브의 겉보기 표면에 존재하는 이산화티타늄 나노입자를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
탄소나노튜브를 전처리하여 비결정질 탄소 및 잔존 금속을 제거하는 단계;는 탄소나노튜브를 열처리하여 비결정질 탄소를 포함한 불순물을 제거하는 과정과, 비결정질 탄소를 포함한 불순물이 제거된 탄소나노튜브를 염산에 침지시켜 탄소나노튜브의 잔존 금속을 제거하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 열가수분해의 온도는 500∼600℃로 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화되는 구조임에 따라, 이산화티타늄 나노입자가 탈착되는 것을 최소화할 수 있어 광촉매 소재의 사용연한을 증가시킬 수 있다.
또한, 다중벽 탄소나노입자와 이산화티타늄 전구체의 결합시 별도의 용매를 적용하지 않는 바, 용매 성분에 의해 수질이 오염되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이와 함께, 이산화티타늄의 광촉매 특성이 발현되도록 함과 함께 탄소나노튜브를 이산화티타늄 나노입자의 담체로 사용함에 따라, 탄소나노튜브의 우수한 전기전도도, 비표면적, 수소저장능력 및 물리적, 화학적 내구성을 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법을 설명하기 위한 모식도.
도 3 및 도 4는 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 TEM 사진.
도 5는 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 EDS 분석결과.
도 6은 실험예 1에 따라 서로 다른 소성온도로 제조된 광촉매 소재의 XRD 결과.
도 7은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 메틸렌블루 흡착특성을 나타낸 실험결과.
도 8은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 메틸렌블루 제거특성을 나타낸 실험결과.
도 9은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 대장균 제거특성을 나타낸 실험결과.
도 10 및 도 11은 이산화티타늄 전구체의 혼합비율에 따른 이산화티타늄 나노입자 생성 양상을 나타낸 TEM 사진 및 STEM 사진.
도 12는 소성온도에 따른 이산화티타늄 나노입자의 결정상을 나타낸 XRD 결과.
도 13은 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브에 대한 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법을 설명하기 위한 모식도.
도 3 및 도 4는 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 TEM 사진.
도 5는 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 EDS 분석결과.
도 6은 실험예 1에 따라 서로 다른 소성온도로 제조된 광촉매 소재의 XRD 결과.
도 7은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 메틸렌블루 흡착특성을 나타낸 실험결과.
도 8은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 메틸렌블루 제거특성을 나타낸 실험결과.
도 9은 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 대장균 제거특성을 나타낸 실험결과.
도 10 및 도 11은 이산화티타늄 전구체의 혼합비율에 따른 이산화티타늄 나노입자 생성 양상을 나타낸 TEM 사진 및 STEM 사진.
도 12는 소성온도에 따른 이산화티타늄 나노입자의 결정상을 나타낸 XRD 결과.
도 13은 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 탄소나노튜브에 대한 모식도.
본 발명은 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 기술을 제시한다.
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 전기전도도, 비표면적, 수소저장능력 및 물리적, 화학적 내구성이 우수하여 다양한 분야에 응용된다. 탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 벽(wall) 형태로 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 것을 일컬으며, 탄소나노튜브를 구성하는 벽(wall)의 결합수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled CNT), 탄소나노튜브(multi-walled CNT)로 구분된다(도 13 참조).
본 발명에서 탄소나노튜브라 함은 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 중 어느 하나를 의미하며, 탄소나노튜브를 구성하는 벽(wall)의 빈 공간을 탄소나노튜브의 내부공간이라 칭하기로 한다.
탄소나노튜브에 이산화티타늄 나노입자가 결합됨에 따라 이산화티타늄의 광촉매 특성 뿐만 아니라 우수한 전기전도도, 비표면적, 수소저장능력, 내구성 등의 탄소나노튜브의 고유 특성을 활용할 수 있으며, 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시킴으로써 이산화티타늄 나노입자가 탈착되는 것을 최소화할 수 있어 광촉매 소재의 내구연한을 증가시킬 수 있다.
탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키기 위해서는 내부공간 주변의 탄소나노튜브와 이산화티타늄 전구체의 결합효율이 높아야 되며, 이산화티타늄 전구체의 결합효율이 증가되기 위해서는 소수성(hydrophobic)인 탄소나노튜브의 표면을 친수성(hydrophilic)으로 개질할 필요가 있다. 탄소나노튜브의 표면에 친수성 기능기를 형성시킴으로써 탄소나노튜브의 표면을 친수성으로 변환시킬 수 있다.
본 발명은 탄소나노튜브의 표면 및 내부공간에 이산화티타늄 전구체와 결합되는 친수성 기능기를 고르게 구비시키고, 친수성 기능기와 이산화티타늄 전구체가 결합된 상태에서 열가수분해를 실시하여 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화되는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브를 준비한다(S101). 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled CNT), 탄소나노튜브(multi-walled CNT) 중 어느 하나이다. 또한, 탄소나노튜브를 구성하는 벽(wall)의 빈 공간은 탄소나노튜브의 내부공간(internal space)로 명명되며, 후술하는 제조공정을 통해 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된다.
탄소나노튜브가 준비된 상태에서, 비결정질 탄소를 포함한 불순물을 제거함과 함께 탄소나노튜브의 표면에 친수성 기능기를 형성시키는 탄소나노튜브 전처리 공정을 실시한다(S103). 상기 친수성 기능기는 이산화티타늄 전구체와의 화학적 결합을 유도하는 것으로서, 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 에폭시기 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 의미한다. 또한, 상기 친수성 기능기는 탄소나노튜브의 겉보기 표면 뿐만 아니라 내부공간 주변의 탄소나노튜브의 표면 상에 형성되며, 이에 따라 내부공간 주변이 친수성으로 변환되어 이산화티타늄 전구체와 탄소나노튜브의 결합력을 상승시키며, 궁극적으로 이산화티타늄 전구체의 소성을 통해 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 생성시킬 수 있다.
비결정질 탄소를 포함한 불순물의 제거를 위해 먼저, 탄소나노튜브를 산소 분위기의 400℃ 이상의 온도에서 열처리한다. 상기 열처리를 통해 탄소나노튜브에 존재하는 비결정질 탄소가 제거된다. 이어, 열처리된 탄소나노튜브를 염산에 침지시켜 탄소나노튜브 제조시 사용된 잔존 금속을 제거한다. 상기 열처리 및 염산처리를 통해 비결정질 탄소 및 잔존 금속이 제거됨과 함께 탄소나노튜브의 비표면적이 증가된다. 여기서, 염산처리시 염산은 60℃의 온도로 유지시키고 24시간 동안 진행할 수 있다. 상기 열처리 및 염산처리 후 증류수 세척 및 건조과정을 실시할 수 있다.
상기 열처리 및 염산처리가 완료된 상태에서, 질산과 황산의 혼합용액을 준비하고, 상기 질산과 황산의 혼합용액에 탄소나노튜브를 침지시킨다. 이에 따라, 탄소나노튜브의 표면에 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 에폭시기 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 형성되며, 이에 따라 탄소나노튜브의 표면은 소수성에서 친수성으로 변환된다. 내부공간 주변을 포함한 탄소나노튜브의 제반 표면에 구비된 친수성 기능기 즉, 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 에폭시기 중 어느 하나 또는 이들의 조합은 후술하는 이산화티타늄 전구체와의 결합을 유도한다. 여기서, 상기 질산과 황산의 혼합용액은 질산과 황산을 1 : 3의 부피비로 혼합하여 준비할 수 있으며, 탄소나노튜브의 표면에 친수성 기능기가 충분히 부착되도록 혼합용액의 온도를 80℃로 유지시키고 4시간 정도 교반시킬 수 있다. 질산과 황산의 혼합용액을 이용한 친수성 기능기 생성 유도 후, 증류수 세척 및 건조과정을 실시할 수 있다.
탄소나노튜브의 친수성 기능기 형성을 통해 탄소나노튜브의 표면을 친수성으로 개질한 상태에서, 이산화티타늄 전구체 결합과정을 진행하여 친수성의 탄소나노튜브와 이산화티타늄 전구체의 결합을 유도한다(S104).
먼저, 이산화티타늄 전구체를 준비한다. 이산화티타늄 전구체로 옥시황산티탄(titanium oxysulfate, TiOSO4·H2O)을 이용할 수 있다. 이어, 이산화티타늄 전구체와 탄소나노튜브를 혼합한 후, 분쇄한다. 이와 같은 혼합, 분쇄과정을 통해 탄소나노튜브의 친수성 기능기에 이산화티타늄 전구체가 결합되는 것을 유도할 수 있다. 옥시황산티탄(TiOSO4·H2O)이 수화물임에 따라 친수성의 탄소나노튜브와의 결합력이 증가된다.
또한, 이산화티타늄 전구체와 탄소나노튜브의 혼합시, 이산화티타늄 전구체는 탄소나노튜브 대비 10∼50mol%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 이산화티타늄 전구체의 혼합비율이 10mol%에서 50mol%로 증가함에 따라 내부공간에 생성되는 이산화티타늄 나노입자의 양이 증가한다(도 10 및 도 11 참조). 이산화티타늄 전구체의 혼합비율이 50mol%를 초과하면, 내부공간에 생성되는 이산화티타늄 나노입자 양이 더 이상 증가하지도 않을 뿐더러, 탄소나노튜브의 겉보기 표면에도 나노입자가 과도하게 많이 생기게 된다.
친수성 기능기에 의해 친수성으로 개질된 탄소나노튜브에 이산화티타늄 전구체가 결합된 상태에서, 이산화티타늄 전구체가 결합된 탄소나노튜브를 열가수분해(thermal decomposition)를 실시하여 이산화티타늄 전구체를 이산화티타늄 나노입자로 변환시킴과 함께 이산화티타늄 나노입자를 탄소나노튜브의 내부공간에 고정화시킨다(S105).
상기 열가수분해는 불활성가스 분위기 하에서 400∼600℃의 온도에서 진행된다. 상기 열가수분해에 의해 이산화티타늄 전구체는 이산화티타늄 나노입자로 가수분해되며(식 1 참조), 열가수분해에 의해 생성된 이산화티타늄 나노입자는 탄소나노튜브의 겉보기 표면 및 탄소나노튜브의 내부공간에 고정화된 상태를 이룬다.
(식 1) CNT + TiOSO4·(x+1)H2O → CNT + TiO2·xH2O + H2SO4
이와 같은 상태에서, 증류수 세척을 실시하면 탄소나노튜브의 표면에 존재하는 이산화티타늄 나노입자는 제거되고, 탄소나노튜브의 내부공간에만 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 상태를 유지하게 된다. 이상의 과정을 통해 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재를 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재 및 그 제조방법을 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 광촉매 소재의 제조>
탄소나노튜브를 공기조건 하 전기로에서 400∼500℃ 이상의 고온에서 열처리하였다. 열처리한 탄소나노튜브를 60℃의 염산에 침지시킨 후 24시간 동안 교반시켰다. 염산처리된 탄소나노튜브를 증류수로 수 회 세척 및 여과시키고 오븐에서 건조시켰다. 이어, 질산과 황산을 1:3의 부피비로 혼합시킨 혼합용액에 탄소나노튜브를 침지시키고 80℃를 유지시키며 4시간 정도 교반시켰다. 그런 다음, 탄소나노튜브를 증류수로 수 회 세척 및 여과시키며 오븐에서 건조시켰다.
옥시황산티탄(TiOSO4·H2O)을 탄소나노튜브 대비 10∼50mol%의 비율로 탄소나노튜브에 혼합한 후 분쇄하였다. 이어, 전기로에서 아르곤 가스 조건 하 400∼600℃의 온도로 소성시켜 광촉매 소재를 제조하였다. 소성 후, 광촉매 소재에 대해 증류수 세척을 실시하였다.
도 3 및 도 4는 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 TEM(transmission electron microscopy) 사진이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 탄소나노튜브의 내부공간에만 이산화티타늄 나노입자가 고정화되어 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브의 내부공간은 직경이 약 5nm이며, 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 일정한 크기로 고정화되어 있음을 확인할 수 있다. 이와 함께, 실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 EDS(energy dispersive spectrometer) 분석결과를 나타낸 도 5를 참조하면, 탄소나노튜브의 내부공간에 존재하는 물질이 이산화티타늄 나노입자임을 확인할 수 있다.
한편, 티타늄 전구체의 소성온도에 따라 생성되는 이산화티타늄 나노입자의 결정상이 달라짐을 확인하였다. 도 6의 XRD 결과를 참조하면, 소성온도가 400℃ 정도에서는 생성된 이산화티타늄에 특별한 양상이 나타나지 않으나, 500℃에서는 아나타제(anatase) 형태로만 존재하고, 소성온도가 600℃로 높아질수록 아나타제와 루타일(rutile) 형태가 공존하는 것을 확인할 수 있다(도 12 참조).
<실험예 2 : 광촉매 소재의 광분해 특성>
실험예 1을 통해 제조된 광촉매 소재의 광분해 특성을 확인하였다.
20μM 농도의 메틸렌블루를 제조한 후 400μg/mL의 농도로 광활성 소재를 첨가시킨 후 빛을 차단시킨 상태에서 30분 동안 교반시켰다. 이후 UVA 24W를 노출시키며, 3시간 30분간 광활성 반응을 진행하였다. 메틸렌블루의 흡광도를 분석한 결과 도 7에 나타낸 바와 같이 흡착능은 약 30% 가량으로 가장 흡착능이 뛰어난 소성온도는 600℃로 확인되었다. 도 8은 소성온도별 광분해를 이용한 제거능을 알아보는 결과로 소성온도가 500℃로 유지되었을 때 광분해를 이용한 제거능이 가장 뛰어난 것으로 나타났다.
<실험예 3 : 광촉매 소재의 소독 특성>
실험예 2를 통해 광분해 특성이 가장 뛰어났던 500℃에서 제조된 광촉매 소재로 대장균 제거실험을 진행하였다. 멸균 증류수 40mL에 100uL 가량(107cfu/mL)을 주입시키고 1000μg/mL의 농도로 광활성 소재를 첨가시킨 후 UVA 24W를 30분 동안 노출 시켰다. 반응 시작 전 대장균 수와 반응 시작 30분 후 생존한 대장균 수를 비교함으로써 대장균 사멸율을 확인해 보았다.
도 9에 도시된 바와 같이 거의 99% 이상의 대장균 제거 효율을 나타냈다. UV를 노출시키지 않고 광활성 소재 자체만의 대장균 사멸율은 약 68% 정도에 불과하였으며, 실험예 1을 통해 제조된 광활성 소재(소성온도-500℃)와 탄소나노튜브 자체의 광활성 성능을 비교하고자, 멸균 증류수 40mL에 100uL 가량(107cfu/mL)을 주입시키고 1000μg/mL의 농도로 탄소나노튜브를 첨가시킨 후 UVA 24W를 30분 동안 노출시켰다. 반응 시작 전 대장균 수와 반응 시작 30분 후 생존한 대장균 수를 비교함으로써 대장균 사멸율을 확인해 보았다. 탄소나노튜브 자체만의 대장균 사멸율은 약 77.8% 정도로 확인되었다. 도 9를 참조하면, 탄소나노튜브 내부 내부공간에만 이산화티타늄이 증착된 광활성 소재의 대장균 제거효율이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
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- 탄소나노튜브를 준비하는 단계;
탄소나노튜브를 전처리하여 비결정질 탄소 및 잔존 금속을 제거하는 단계;
질산과 황산의 혼합용액에 탄소나노튜브를 침지시켜 내부공간 주변을 포함한 탄소나노튜브의 표면에 친수성 기능기를 형성하여 탄소나노튜브를 친수성으로 개질하는 단계;
친수성의 탄소나노튜브와 이산화티타늄 전구체를 혼합한 후 분쇄하여 탄소나노튜브의 표면에 이산화티타늄 전구체를 결합시키는 단계; 및
이산화티타늄 전구체가 결합된 탄소나노튜브에 대해 열가수분해를 실시하여, 이산화티타늄 나노입자를 생성시킴과 함께 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자를 고정화시키는 단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 이산화티타늄 전구체는 옥시황산티탄(TiOSO4·H2O)이며,
탄소나노튜브를 전처리하여 비결정질 탄소 및 잔존 금속을 제거하는 단계;는, 탄소나노튜브를 산소분위기의 400℃이상의 온도에서 열처리하여 비결정질 탄소를 포함한 불순물을 제거하는 과정과, 비결정질 탄소를 포함한 불순물이 제거된 탄소나노튜브를 염산에 침지시켜 탄소나노튜브의 잔존 금속을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 친수성 기능기는 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 에폭시기 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 이산화티타늄 전구체와 탄소나노튜브의 혼합시, 이산화티타늄 전구체는 탄소나노튜브 대비 10∼50mol%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
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- 제 4 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled CNT), 탄소나노튜브(multi-walled CNT) 중 어느 하나이며,
상기 내부공간은 탄소나노튜브의 벽 내부공간인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 세척 공정을 실시하여 탄소나노튜브의 겉보기 표면에 존재하는 이산화티타늄 나노입자를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서, 상기 열가수분해의 온도는 500∼600℃인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 내부공간에 이산화티타늄 나노입자가 고정화된 광촉매 소재의 제조방법.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |