KR102432779B1 - One-step synthesized method of black oxide particle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 합성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 일원화된 공정으로 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)를 합성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 금속 이온을 포함하는 전구체를 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 초음파를 이용하여 상기 전구체 용액을 액적 상태로 형성하는 단계; 운반 가스를 이용하여 상기 액적 상태의 전구체 용액을 로(furnace)의 내부로 분무하는 단계; 및 상기 로의 내부에서 상기 액적이 열분해되고 산화되는 단계를 포함하는 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 일원화된 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for synthesizing black oxide particles, and more particularly, to a method for synthesizing black oxide particles in a unified process. The present invention comprises the steps of preparing a precursor solution by adding a precursor containing metal ions to a solvent; forming the precursor solution in a droplet state using ultrasonic waves; spraying the precursor solution in the droplet state into the inside of a furnace using a carrier gas; and a step of thermally decomposing and oxidizing the droplets in the furnace.

Description

일원화된 흑색 산화물 입자 합성 방법{ONE-STEP SYNTHESIZED METHOD OF BLACK OXIDE PARTICLE}A unified method for synthesizing black oxide particles {ONE-STEP SYNTHESIZED METHOD OF BLACK OXIDE PARTICLE}

본 발명은 흑색 산화물 입자 합성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 일원화된 공정으로 흑색 산화물 입자를 합성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing black oxide particles, and more particularly, to a method for synthesizing black oxide particles through a unified process.

광촉매를 활용한 환경 정화 기술은 고급 산화 처리법(advanced oxidation process)의 한 분야이다. 이는 광촉매 재료의 띠 간격 에너지(band gap energy)보다 크거나 유사한 광원이 조사(irradiation)될 때 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자가 여기(excitation)되며, 이로 인해 전자(e-) 정공(h+) 쌍이 형성되어 표면으로 이동하고, 슈퍼 옥사이드(superoxide) 및 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 형성하여 유해 물질을 분해하는 기술이다. 광촉매 기술은 저렴한 비용, 인체에 대한 무독성, 살균, 각종 유기물에 대한 효과적인 분해력, 안정성 및 내구성 등의 장점을 갖고 있어 수질 및 공기 정화 분야에서 주목받는 기술이다.Environmental purification technology using photocatalyst is a field of advanced oxidation process. This means that when a light source greater than or similar to the band gap energy of the photocatalytic material is irradiated, electrons are excited from the valence band to the conduction band, which results in electrons e - ) hole (h + ) pair is formed and moved to the surface, and superoxide and hydroxyl radical are formed to decompose harmful substances. Photocatalyst technology is a technology attracting attention in the field of water and air purification because it has advantages such as low cost, non-toxicity to the human body, sterilization, effective decomposition power for various organic substances, stability and durability.

광촉매로 사용 가능한 다양한 재료 중 반도체 특성을 가지는 산화물에 기반한 소재에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다. 하지만, 고효율의 광촉매 특성을 가지는 산화물의 경우 고유한 띠 간격 특성으로 인해서 태양광에서 약 45%나 차지하는 가시광선 영역(400nm~700nm) 이하의 영역은 흡수할 수 없으며 약 5% 수준의 자외선 영역(~400nm)에서만 전자의 여기가 가능하다. 이를 해결하기 위해 양이온 또는 음이온 도핑, 금속의 국부 표면공명(localized surface plasmon) 현상을 활용한 기술 등이 개발되었지만, 흡수 가능한 범위가 한정되어 있고 고유의 재료적인 장점을 저하시키는 한계를 가지고 있다. Among various materials that can be used as photocatalysts, studies on oxide-based materials having semiconductor properties have been actively conducted. However, in the case of oxides with high-efficiency photocatalytic properties, due to their unique band spacing characteristics, they cannot absorb the visible light region (400 nm to 700 nm) or less, which accounts for about 45% of sunlight, and can not absorb about 5% of the ultraviolet region ( Excitation of electrons is possible only at ~400 nm). In order to solve this problem, cation or anion doping and a technique utilizing a localized surface plasmon phenomenon of a metal have been developed, but the absorption range is limited and the inherent material advantages are reduced.

전술한 문제를 해결하고 태양광 아래에서 매우 효율적인 광촉매 반응이 가능한 소재로 최근 흑색 이산화티탄(Black TiO2)이 주목을 받았다. 흑색 이산화티탄(Black TiO2)은 표면 또는 내부 결함을 생성시킴으로써 띠 간격 내부에 서브 준위들을 형성시킨 TiO2로 정의할 수 있고, 형성된 서브 준위를 통해 가시광 영역을 흡수할 수 있는 소재이다. 흑색 이산화티탄의 우수한 특성은 산소 공공에 의한 것이며, 이는 에너지 금지대(energy forbidden region)에서 중간 밴드를 유도하고 밴드갭을 단축시켜 흡수 가능한 빛의 영역을 향상시킨다. 표면의 산소 공공은 전자가 불충분한 환경에 기인한 게스트 분자의 흡착과 전하 부족을 촉진시켜, 광촉매 활성을 향상시킨다. 이후 많은 연구자들이 다양한 산화물에 산소 공공을 도입하여 흑색 산화물을 합성하고 광촉매로 응용하기 위해 연구했다.Recently, black titanium dioxide (Black TiO 2 ) has been attracting attention as a material capable of solving the above-mentioned problems and capable of a very efficient photocatalytic reaction under sunlight. Black titanium dioxide (Black TiO 2 ) can be defined as TiO 2 in which sub-levels are formed inside the band gap by creating surface or internal defects, and is a material capable of absorbing visible light through the formed sub-levels. An excellent property of black titanium dioxide is its oxygen vacancies, which induce an intermediate band in the energy forbidden region and shorten the bandgap, enhancing the area of absorbable light. Oxygen vacancies on the surface promote adsorption of guest molecules and lack of charge due to an electron-deficient environment, thereby enhancing photocatalytic activity. Since then, many researchers have researched to synthesize black oxides by introducing oxygen vacancies in various oxides and to apply them as photocatalysts.

흑색 이산화티탄의 제조 방법과 관련하여, MaO와 Chen 등은 미리 합성된 백색 TiO2를 약 3일간의 수소 분위기에서 환원함으로써 최초로 흑색 이산화티탄(Black TiO2)을 합성하였기 때문에(Chen, X., Liu, L., Peter, Y. Y., and Mao, S. S., Science, 331 (6018), 746~750 (2011)), 많은 연구자들은 기 합성된 백색의 산화물을 환원하여 흑색 산화물의 합성 및 형상 제어, 더 나아가 광학적 특성 및 그 응용분야에 대한 연구를 진행하고 있다. 이와 관련한 선행기술로는 예를 들면, TiO2 및 Mg 분말을 혼합하여 혼합분말을 형성하고, 열처리하여 TiO2를 환원시키는 흑색 타이타니아 광촉매 제조 방법이 있다(한국등록특허 제10-179994호). With respect to the method for producing black titanium dioxide, MaO and Chen et al. synthesized black titanium dioxide (Black TiO 2 ) for the first time by reducing previously synthesized white TiO 2 in a hydrogen atmosphere for about 3 days (Chen, X., Liu, L., Peter, YY, and Mao, SS, Science, 331 (6018), 746-750 (2011)), many researchers have studied the synthesis and shape control of black oxides by reducing previously synthesized white oxides, further Furthermore, research on optical properties and their applications is in progress. In this related prior art, for example, there is a black titania photocatalyst manufacturing method in which TiO 2 and Mg powder are mixed to form a mixed powder, and TiO 2 is reduced by heat treatment (Korean Patent No. 10-179994).

하지만 이와 같은 방법은 나노크기의 백색 산화물 입자를 미리 합성해야 하고, 고에너지 기반의 장시간 환원 공정이 필요하기 때문에 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 환원 공정 시 입자의 성장 및 강한 응집이 발생되어 산업적 응용이 제한되는 문제를 가지고 있다. However, in this method, nano-sized white oxide particles must be synthesized in advance and a high-energy-based reduction process is required for a long time, so the process is not only complicated, but also industrial application is difficult because particle growth and strong agglomeration occur during the reduction process. It has limited problems.

따라서, 효과적으로 흑색 산화물을 대량 합성하기 위해, 효율적으로 산소 공공이 도입될 수 있는 일원화된(one-step) 공정을 필요로 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 산화물을 불완전하게 산화(Incomplete oxidation)시켜 산소 공공을 형성시키는 개념이 소개되었다. 하지만, 이러한 개념을 활용하여 일원화된 공정을 보고한 기술은 아직 없다.Therefore, in order to effectively synthesize a large amount of black oxide, a one-step process in which oxygen vacancies can be efficiently introduced is required. To solve this problem, the concept of forming oxygen vacancies by incomplete oxidation of oxides was introduced. However, no technology has yet reported a unified process using this concept.

초음파 분무 열분해(Ultrasonic spray pyrolysis) 공정은 단 분산된 서브 마이크론 입자를 경제적으로 생산할 수 있는 에어로졸 공정이다. 초음파 분무 열분해 공정은 공정 온도, 액적의 체류 시간의 제어가 용이하여 합성 입자의 결정성, 결정구조, 조성 등의 물리화학적 특성의 제어가 용이한 장점을 가지고 있으며, 내부 분위기 제어가 용이하여 산화물이 합성되는 과정에서 불완전한 산화를 유도하기 용이하다. 그러나, 종래의 초음파 분무 열분해 공정은 초기 액적 크기 감소의 한계로 인해 나노 입자를 합성하는 것이 어렵다. 하지만, 초음파 분무 열분해 공정에 의해 합성된 입자는 미세한 1차 입자의 응집에 의해 형성되며, 1차 입자 사이에 불활성 염을 잔류시켜 응집을 억제함으로써 나노 입자를 합성할 수 있는 염 보조 초음파 분무 열분해 공정(Salt assisted ultrasonic spray pyrolysis)을 통해 나노 입자의 합성 가능성은 충분히 검증되었다. 그러나, 염 보조 초음파 분무 열분해 공정은 복잡하고, 잔류 염을 세척하기 위해 장시간을 요구하는 문제가 있다. Ultrasonic spray pyrolysis is an aerosol process that can economically produce monodispersed sub-micron particles. The ultrasonic spray pyrolysis process has the advantage that it is easy to control the process temperature and the residence time of the droplets, so it is easy to control the physicochemical properties such as crystallinity, crystal structure, and composition of the synthetic particles. It is easy to induce incomplete oxidation in the process of synthesis. However, in the conventional ultrasonic spray pyrolysis process, it is difficult to synthesize nanoparticles due to the limitation of initial droplet size reduction. However, the particles synthesized by the ultrasonic spray pyrolysis process are formed by aggregation of fine primary particles, and the salt-assisted ultrasonic spray pyrolysis process capable of synthesizing nanoparticles by inhibiting aggregation by remaining inactive salts between the primary particles (Salt assisted ultrasonic spray pyrolysis) The synthesis potential of nanoparticles has been sufficiently verified. However, the salt-assisted ultrasonic spray pyrolysis process is complicated and requires a long time to clean residual salts.

따라서, 초음파 분무 열분해 공정을 활용하여 나노 입자를 직접 합성하기 위해서는 공정 과정에서 1차 입자의 응집을 억제할 수 있는 새로운 기술 또한 요구된다.Therefore, in order to directly synthesize nanoparticles using the ultrasonic spray pyrolysis process, a new technology capable of suppressing aggregation of primary particles during the process is also required.

한국등록특허 제10-179994호Korean Patent No. 10-179994

Chen, X., Liu, L., Peter, Y. Y., and Mao, S. S., Science, 331 (6018), 746~750 (2011)Chen, X., Liu, L., Peter, Y. Y., and Mao, S. S., Science, 331 (6018), 746-750 (2011)

본 발명은, 상기와 같이 기존의 합성법인 열처리 기반 환원법의 한계를 극복할 수 있는, 일원화된 초음파 분무 열분해 공정 기반의 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 합성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for synthesizing black oxide particles based on a unified ultrasonic spray pyrolysis process, which can overcome the limitations of a heat treatment-based reduction method, which is a conventional synthesis method as described above.

본 발명은 또한, 공정과정에서 분해가 가능한 착화제(complex agent)를 첨가함으로써, 1차 입자의 응집을 억제하여 나노 크기의 흑색 산화물을 합성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a method for synthesizing a nano-sized black oxide by suppressing aggregation of primary particles by adding a decomposable complex agent during the process.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 전구체 및 착화제를 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 초음파를 이용하여 상기 전구체 용액을 액적 상태로 형성하는 단계; 운반 가스를 이용하여 상기 액적 상태의 전구체 용액을 로(furnace)의 내부로 분무하는 단계; 및 상기 로의 내부에서 상기 액적이 열분해되고 산화되는 단계를 포함하는 흑색 산화물 (Black Oxide)의 제조 방법을 제공한다.The present invention includes the steps of preparing a precursor solution by adding a precursor and a complexing agent to a solvent in order to solve the above problems; forming the precursor solution in a droplet state using ultrasonic waves; spraying the precursor solution in the droplet state into the inside of a furnace using a carrier gas; and pyrolyzing and oxidizing the droplets inside the furnace.

전구체는 금속 이온을 포함하는 질산염, 아세트산염, 알콕사이드, 탄산염 등을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종을 사용할 수 있다.As the precursor, any one selected from the group consisting of nitrates containing metal ions, acetates, alkoxides, carbonates, and the like may be used.

상기 금속 이온은, 산소와 결합하여 2.5eV 이상 4.9eV 이하의 띠 간격(bandgap)을 갖는 금속 산화물을 형성하는 것일 수 있다.The metal ions may combine with oxygen to form a metal oxide having a bandgap of 2.5 eV or more and 4.9 eV or less.

상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, 다이메틸 설폭사이드, 다이메틸 아세타마이드, 다이메틸 포름아마이드 등을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종을 사용할 수 있다.The solvent may be any one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, dimethyl sulfoxide, dimethyl acetamide, dimethyl formamide, and the like.

상기 운반 가스는 질소, 헬륨, 아르곤 등을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 불활성 가스일 수 있다.The carrier gas may be at least one inert gas selected from the group comprising nitrogen, helium, argon, and the like.

상기 로의 내부의 하부 온도는 200℃이고, 상부 온도는 600~900℃일 수 있다.The lower temperature of the inside of the furnace may be 200 ℃, the upper temperature may be 600 ~ 900 ℃.

상기 전구체 용액을 제조하는 단계에 있어서, 착화제를 상기 용매에 추가로 첨가할 수 있다.In the step of preparing the precursor solution, a complexing agent may be additionally added to the solvent.

상기 착화제는 옥살산, 시트르산, 올레산, 베타 디케톤 등 일 수 있다. The complexing agent may be oxalic acid, citric acid, oleic acid, beta-diketone, or the like.

상기 용매에 첨가되는 금속 이온과 상기 착화제의 몰(mol)비는 1:1~1:20 일 수 있다.A molar (mol) ratio of the metal ion added to the solvent and the complexing agent may be 1:1 to 1:20.

본 발명은 흑색 산화물 입자를 초음파 분무 열분해 기반의 일원화된 공정으로 제조할 수 있다.The present invention can produce black oxide particles in a unified process based on ultrasonic spray pyrolysis.

또한, 본 발명은 일원화된 공정으로 흑색 산화물 입자를 연속적으로 제조할 수 있다.In addition, the present invention can continuously manufacture black oxide particles in a unified process.

또한, 본 발명은 착화제의 첨가 및 공정 중의 온도의 제어를 통해, 나노 크기의 흑색 산화물 입자를 제조할 수 있다.In addition, the present invention can prepare nano-sized black oxide particles by adding a complexing agent and controlling the temperature during the process.

도 1은 본 발명에서 이용하는 초음파 분무 열분해 방법의 모식도이다.
도 2는 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 마이크로 크기의 흑색 TiO2 분말의 사진이다.
도 3은 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 흑색 TiO2의 FE-SEM 사진이다.
도 4는 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 흑색 TiO2의 XRD 분석 결과이다.
도 5는 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 흑색 TiO2 나노 입자와 일반적인 아나타제상 TiO2의 O 1s XPS 스펙트럼이다.
도 6은 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 흑색 TiO2의 흡광도 분석 결과이다.
도 7은 실시예 2의 착화제를 첨가하는 나노 입자 합성 공정을 나타낸 모식도이다.
도 8은 실시예 2에서 제조된 입자의 FE-SEM 사진이다.
도 9은 실시예 2에서 제조된 입자의 XRD 분석 결과이다.
도 10는 BT-900의 TEM 사진이다.
도 11은 BT-900의 XPS 분석 결과이다.
도 12는 BT-900의 라만 분광법 분석 결과이다.
도 13은 실시예 2에서 제조된 입자의 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정 결과이다.
도 14는 실시예 2에서 제조된 입자의 광촉매 분해 효율을 나타낸 도이다.
도 15는 첨가제 유무에 따른 나노 크기 입자의 합성 과정을 보여주는 FE-SEM 사진이다.
도 16은 전구체 용액 및 실시예 2에서 제조된 입자의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 17은 실시예 3에서 제조된 흑색 ZrO2 입자의 FE-SEM 및 XRD 분석 결과이다.
도 18은 실시예 3에서 제조된 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정 결과이다.
도 19는 실시예 4에서 착화제를 첨가하여 합성된 나노 크기의 흑색 ZrO2 입자의 FE-SEM 및 XRD 분석 결과이다.
도 20은 나노 크기의 흑색 및 백색 ZrO2의 투과 전자 현미경 분석 결과이다.
도 21은 실시예 4에서 제조된 입자의 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram of the ultrasonic spray pyrolysis method used by this invention.
2 is a photograph of black TiO 2 powder of micro size prepared in Examples 1-1 and 1-2.
3 is a FE-SEM photograph of black TiO 2 prepared in Examples 1-1 and 1-2.
4 is an XRD analysis result of black TiO 2 prepared in Examples 1-1 and 1-2.
5 is an O 1s XPS spectrum of black TiO 2 nanoparticles prepared in Examples 1-1 and 1-2 and general anatase-phase TiO 2 .
6 is an absorbance analysis result of black TiO 2 prepared in Examples 1-1 and 1-2.
7 is a schematic diagram showing the nanoparticle synthesis process of adding the complexing agent of Example 2.
8 is an FE-SEM photograph of the particles prepared in Example 2.
9 is an XRD analysis result of the particles prepared in Example 2.
10 is a TEM photograph of BT-900.
11 is an XPS analysis result of BT-900.
12 is a Raman spectroscopy analysis result of BT-900.
13 is an absorbance measurement result of the particles prepared in Example 2 using an ultraviolet-visible spectrophotometer.
14 is a view showing the photocatalytic decomposition efficiency of the particles prepared in Example 2.
15 is a FE-SEM photograph showing the synthesis process of nano-sized particles with or without additives.
16 is an FT-IR spectrum of the precursor solution and particles prepared in Example 2.
17 is a FE-SEM and XRD analysis results of the black ZrO 2 particles prepared in Example 3.
18 is an absorbance measurement result using the ultraviolet-visible spectrophotometer prepared in Example 3.
19 is a FE-SEM and XRD analysis results of nano-sized black ZrO 2 particles synthesized by adding a complexing agent in Example 4.
20 is a transmission electron microscope analysis result of nano-sized black and white ZrO 2 .
21 is an absorbance measurement result of the particles prepared in Example 4 using an ultraviolet-visible spectrophotometer.

본 발명은, 초음파 분무 열분해법을 이용하여 마이크로 또는 나노 크기의 흑색 산화물 입자를 제조한다.The present invention prepares micro- or nano-sized black oxide particles using ultrasonic spray pyrolysis.

초음파 분무 열분해법은 액상 전구체를 사용하는 기상 합성법이다. 초음파 분무 열분해법은 액상 전구체의 조성, 공정 온도, 내부 분위기, 액적의 체류 시간을 조절함으로써 일정 화학양론비를 갖는 분말을 쉽게 제조할 수 있고, 고순도의 고결정성을 갖는 미세입자를 얻을 수 있다. 또한 기상법이기 때문에 응집에서도 매우 자유롭다.Ultrasonic spray pyrolysis is a gas phase synthesis method using a liquid precursor. The ultrasonic spray pyrolysis method can easily prepare a powder having a certain stoichiometric ratio by controlling the composition of the liquid precursor, the process temperature, the internal atmosphere, and the residence time of the droplets, and it is possible to obtain fine particles with high purity and high crystallinity. Also, since it is a gaseous method, it is very free from agglomeration.

본 발명에서 이용하는 초음파 분무 열분해 방법은 초음파 분무 단계, 열분해 단계, 포집 단계로 나눌 수 있는데, 그 모식도를 도 1에 나타낸다. 먼저 원하는 전구체의 용액을 제조하고 그 용액을 초음파 단자가 연결되어있는 하단부의 관 속으로 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 유입시킨다. 일정한 진동수를 가지는 초음파 단자에 의해 유입된 용액의 미세 액적을 만들고 그 미세 액적은 운반 가스에 의해 예열된 로(furnace) 내부로 이동한다. 열분해 영역에서 예열된 로는 두 개의 영역으로 나뉘어있는데, 첫 번째 영역에서는 미세 액적의 용매를 증발시키고 두 번째 영역에서는 산화물의 결정화를 진행하게 된다. 합성된 분말의 크기, 결정성 및 형상에 영향을 주는 인자는 이 두 번째 영역의 온도와 로 내부에 머무는 잔류 시간이다. 결정화 온도를 설정할 때에는 분무된 액적이 예열된 로를 통과하는 시간은 수초에 불과하므로, 일반적으로 원료 전구체를 열분해 온도보다 로의 온도를 높게 제어한다. The ultrasonic spray pyrolysis method used in the present invention can be divided into an ultrasonic spray step, a pyrolysis step, and a collection step, and a schematic diagram thereof is shown in FIG. 1 . First, a solution of a desired precursor is prepared, and the solution is introduced into the tube at the lower end to which the ultrasonic terminal is connected using a syringe pump. Microdroplets of the solution introduced by the ultrasonic terminal having a constant frequency are made, and the microdroplets move into the furnace preheated by the carrier gas. The preheated furnace in the pyrolysis zone is divided into two zones. In the first zone, the solvent of microdroplets is evaporated, and in the second zone, oxide crystallization proceeds. Factors affecting the size, crystallinity and shape of the synthesized powder are the temperature of this second region and the residence time in the furnace. When setting the crystallization temperature, the time for the sprayed droplets to pass through the preheated furnace is only a few seconds, so in general, the temperature of the furnace is controlled to be higher than the pyrolysis temperature of the raw material precursor.

본 발명에서는, 금속이온을 포함하는 전구체를 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계; 초음파를 이용하여 상기 전구체 용액을 액적 상태로 형성하는 단계; 운반 가스를 이용하여 상기 액적 상태의 전구체 용액을 로(furnace)의 내부로 분무하는 단계; 및 상기 로의 내부에서 상기 액적이 열분해되고 산화되는 단계를 포함하는 흑색 산화물 입자의 제조 방법을 제공한다.In the present invention, adding a precursor containing metal ions to a solvent to prepare a precursor solution; forming the precursor solution in a droplet state using ultrasonic waves; spraying the precursor solution in a droplet state into the inside of a furnace using a carrier gas; and pyrolyzing and oxidizing the droplets in the furnace.

이하에서는 각 단계에 대해 자세히 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.

금속 이온을 포함하는 전구체를 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계preparing a precursor solution by adding a precursor containing metal ions to a solvent

종래에는, 흑색 산화물을 제조하기 위해, 미리 형성된 백색 산화물을 출발물질로 사용하였으나, 본 발명에서는 전구체로부터 일원화된 공정에 의해 흑색 산화물을 제조할 수 있다.Conventionally, in order to prepare a black oxide, a preformed white oxide is used as a starting material, but in the present invention, a black oxide can be prepared from a precursor by a unified process.

상기 전구체는 금속 이온을 포함하는 질산염, 아세트산염, 알콕사이드, 탄산염 등을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종일 수 있다. The precursor may be any one selected from the group consisting of nitrates, acetates, alkoxides, carbonates, and the like containing metal ions.

상기 금속 이온은, 산소와 결합하여 2.5eV 이상 4.9eV 이하의 띠 간격(bandgap)을 갖는 금속 산화물을 형성하는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, Zn, W, Ti, Zr, Ga 등 일 수 있다.The metal ion is not particularly limited as long as it combines with oxygen to form a metal oxide having a bandgap of 2.5 eV or more and 4.9 eV or less, for example, Zn, W, Ti, Zr, Ga, etc. have.

상기 용매는 금속 이온을 포함하는 전구체를 용해시킬 수 있는 용매로서, 예를 들면, 메탄올, 에탄올, DMSO(Dimethyl sulfoxide), DMF(Dimethyl formamide), DMA(Dimethyl acetamide)등 일 수 있다. The solvent is a solvent capable of dissolving a precursor containing metal ions, and may be, for example, methanol, ethanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), or the like.

일반적으로, 초음파 분무 열분해에 의해 합성된 입자의 입자 크기 및 분배는 초음파 진동에서 발생하는 미세한 액적 크기에 지배적으로 영향을 받는다. 액적 크기는 초음파 진동자의 주파수를 증가시킴으로써 미세하게 생성될 수 있다. 하지만, 이러한 관점에서 나노 크기의 입자를 합성하는 것은 많은 비용이 요구된다. 따라서, 이는 초음파 분무 열분해의 장점을 희미하게 하고, 산업적인 장점을 제한한다. 경제적으로 나노입자를 합성하기 위해, 염보조 초음파 분무 열분해 공정이 연구되었으나, 이는 염을 제거하기 위해 여러 세척 및 건조 단계가 필요하였고, 이러한 단계는 합성된 입자의 응집 및 낮은 수율을 초래할 수 있다.In general, the particle size and distribution of particles synthesized by ultrasonic spray pyrolysis is predominantly influenced by the microscopic droplet size generated by ultrasonic vibration. The droplet size can be created finely by increasing the frequency of the ultrasonic vibrator. However, from this point of view, synthesizing nano-sized particles requires a lot of cost. Therefore, this obscures the advantages of ultrasonic spray pyrolysis and limits the industrial advantages. In order to economically synthesize nanoparticles, a salt-assisted ultrasonic spray pyrolysis process has been studied, but it required several washing and drying steps to remove the salt, which may lead to agglomeration and low yield of the synthesized particles.

본 발명에서는, 나노 크기의 흑색 산화물 입자를 직접 합성하고 초음파 분무 열분해 방법의 문제를 해결하기 위해, 배위 결합 및 유기금속 화합물의 개념을 도입했다. 본 발명자는, 초음파 분무 열분해 공정 중, 금속 전구체 및 유기 리간드 사이에서 형성된 금속 착화제에 의해 야기된 유기금속 화합물의 침전(석출) 및 분해에 초점을 두었다. 추가적으로, 나노 크기의 흑색 산화물 입자의 합성은 외부로부터 산소 유입을 차단하여 산화를 억제하고 침전물(석출물)의 분해 속도 및 결정화 속도를 제어함으로써 시도하였다. 그 후, 합성 입자의 크기, 형상, 광학 특성 및 광촉매 특성을 다양한 방법으로 분석하였다. 또한, 나노 크기 입자의 합성에 대한 착화제의 효과를 체계적으로 조사했다. 착화제는 열분해 공정 동안 1차 입자의 응집을 억제함으로써 나노 크기의 입자를 형성시킬 수 있다.In the present invention, in order to directly synthesize nano-sized black oxide particles and to solve the problems of ultrasonic spray pyrolysis, the concepts of coordination bonds and organometallic compounds are introduced. The present inventors focused on the precipitation (precipitation) and decomposition of organometallic compounds caused by the metal complexing agent formed between the metal precursor and the organic ligand during the ultrasonic spray pyrolysis process. Additionally, the synthesis of nano-sized black oxide particles was attempted by blocking the inflow of oxygen from the outside to inhibit oxidation and controlling the decomposition rate and crystallization rate of the precipitate (precipitate). Thereafter, the size, shape, optical properties and photocatalytic properties of the synthetic particles were analyzed by various methods. In addition, the effect of complexing agents on the synthesis of nano-sized particles was systematically investigated. The complexing agent can form nano-sized particles by inhibiting aggregation of primary particles during the thermal decomposition process.

상기 용매는 에탄올, 메탄올, DMSO(Dimethyl sulfoxide), DMF(Dimethyl formamide), DMA(Dimethyl acetamide) 등을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종을 사용할 수 있다.The solvent may be any one selected from the group consisting of ethanol, methanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), dimethyl acetamide (DMA), and the like.

상기 용매에는, 착화제로서 올레산, 시트르산, 옥살산, 베타 디케톤(beta diketone) 등을 추가로 첨가할 수 있다. 첨가되는 금속 이온과 착화제의 몰(mol)비는 1:1~1:20일 수 있다. 착화제의 양이 상기 범위 내임으로써, 형성되는 흑색 산화물 입자의 크기를 40nm~5um으로 조절할 수 있다. To the solvent, oleic acid, citric acid, oxalic acid, beta diketone, etc. may be further added as a complexing agent. The molar (mol) ratio of the added metal ion to the complexing agent may be 1:1 to 1:20. By the amount of the complexing agent within the above range, the size of the formed black oxide particles can be adjusted to 40nm ~ 5um.

상기 베타 디케톤은, 2,4-펜탄디온, 3-메틸-2,4-펜탄디온, 3-이소프로필-2,4-펜탄디온, 2,2-디메틸-3,5-헥사디온, 4,4,4-트라이플루오로-1-(2-나프틸)-1,3-뷰테인다이온 등으로부터 선택될 수 있다.The beta diketone is, 2,4-pentanedione, 3-methyl-2,4-pentanedione, 3-isopropyl-2,4-pentanedione, 2,2-dimethyl-3,5-hexadione, 4 ,4,4-trifluoro-1-(2-naphthyl)-1,3-butanedione and the like.

초음파를 이용하여 상기 전구체 용액을 액적 상태로 형성하는 단계Forming the precursor solution in a droplet state using ultrasonic waves

초음파 단자는 소정의 주파수(예를 들면 1.5~1.7MHz)를 갖고, 초음파 진동에 의해 전구체 용액에 기계적 에너지가 전달되고, 이에 의해 용액의 표면에서 액적이 형성된다. The ultrasonic terminal has a predetermined frequency (for example, 1.5 to 1.7 MHz), and mechanical energy is transmitted to the precursor solution by ultrasonic vibration, whereby droplets are formed on the surface of the solution.

운반 가스를 이용하여 상기 액적 상태의 전구체 용액을 로(furnace)의 내부로 분무하는 단계Spraying the precursor solution in the droplet state into the inside of a furnace using a carrier gas

상기 형성된 액적은 운반 가스를 이용하여 로의 내부로 이동하게 된다. The formed droplets move into the furnace using a carrier gas.

운반 가스는 질소, 헬륨, 아르곤 등을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 불활성 가스이다. 운반 가스의 공급 유량은 100ml/min∼10L/min 정도인 것이 바람직하다The carrier gas is at least one inert gas selected from the group comprising nitrogen, helium, argon and the like. It is preferable that the supply flow rate of the carrier gas is about 100 ml/min to 10 L/min.

로의 내부에서 상기 액적이 열분해되고 산화되는 단계The droplet is pyrolyzed and oxidized inside the furnace

열분해되고 산화되는 단계는 2개의 영역으로 나누어진다. 첫 번째 영역에서는 미세액적의 용매가 증발되고 고상의 석출이 야기된다, 두 번째 영역에서는 전구체 및 착화제의 분해와 결정화가 진행된다. 용매를 증발시키는 첫 번째 영역의 온도는 200℃이고, 결정화가 진행되는 두 번째 영역의 온도는 400~1200℃이다. The pyrolysis and oxidation phase is divided into two regions. In the first region, the solvent of the microdroplets is evaporated and precipitation of the solid phase is caused. In the second region, decomposition and crystallization of the precursor and complexing agent proceed. The temperature of the first region for evaporating the solvent is 200°C, and the temperature of the second region where crystallization is performed is 400 to 1200°C.

측정 및 분석 방법Measurement and analysis methods

1) FE-SEM(Field emission-scanning electron microscopy)1) FE-SEM (Field emission-scanning electron microscopy)

합성된 입자의 형상과 크기를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 실시하였으며, 사용한 장비는 일본의 JEOL사 제품인 JSM-7500F이다. 측정 시 10 kV의 가속전압으로 측정하였으며, 배율은 5000배부터 100000배까지 다양하게 측정하였다. FE-SEM analysis was performed to confirm the shape and size of the synthesized particles, and the equipment used was JSM-7500F manufactured by JEOL of Japan. The measurement was performed with an acceleration voltage of 10 kV, and the magnification was measured from 5000 times to 100000 times.

2) XRD(X-ray diffraction)2) XRD (X-ray diffraction)

합성된 입자의 결정성을 파악하기 위하여 XRD 분석을 진행하였다. XRD 분석은 시료에 X-선을 일정한 각도로 조사하여 격자에서 회절되어 나오는 고유한 회절각과 강도를 측정하여 결정성 또는 물질의 구조에 관한 정보를 얻을 수 있다. 사용한 장비는 네덜란드의 PANaltycal사 제품인 X’pert3 powder이며, X선은 Cu-Ka 선(λ=1.5406Å)을 사용하였고 2θ=10부터 90°까지 분당 4°씩 측정하였다. 얻어진 회절패턴은 JCPDS 카드 정보와 대조하여 분석하였다.XRD analysis was performed to determine the crystallinity of the synthesized particles. XRD analysis can obtain information about crystallinity or the structure of a material by irradiating a sample with X-rays at a certain angle and measuring the intrinsic diffraction angle and intensity diffracted from the grating. The equipment used was X'pert 3 powder manufactured by PANaltycal of the Netherlands, and Cu-Ka rays (λ=1.5406Å) were used for X-rays, and 4° per minute was measured from 2θ=10 to 90°. The obtained diffraction pattern was analyzed against JCPDS card information.

3) TEM(Transmission electron microscopy)3) TEM (Transmission electron microscopy)

포집한 입자의 자세한 형상과 표면의 무질서 층(disorder layer) 및 결정성을 확인하기 위하여 TEM 분석을 실시하였고, 시료의 SAED(selected area electron diffraction)패턴을 분석하여 결정상을 알아보았다. 시료는 에탄올에 분산시킨 후에 극소량을 채취하여 Copper grid 위에 준비하였고, 상온에서 하루 이상 건조시켰다. 사용한 장비는 일본의 JEOL사 제품인 JEM-2100F이다.TEM analysis was performed to confirm the detailed shape of the collected particles and the disorder layer and crystallinity of the surface, and the selected area electron diffraction (SAED) pattern of the sample was analyzed to determine the crystal phase. After the sample was dispersed in ethanol, a very small amount was collected, prepared on a copper grid, and dried at room temperature for at least one day. The equipment used is a JEM-2100F manufactured by JEOL of Japan.

4) Raman spectroscopy4) Raman spectroscopy

산소 공공의 영향으로 인한 결정구조의 무질서도의 증가를 확인하기 위하여 Raman 분광 광도계로 분석을 실시하였다. 사용한 장비는 일본의 HORIBA JOBIN YVON사 제품인 LabRAM HR-800 UV-Visible-NIR이다.In order to confirm the increase in the disorder of the crystal structure due to the effect of oxygen vacancies, analysis was performed with a Raman spectrophotometer. The equipment used was LabRAM HR-800 UV-Visible-NIR manufactured by HORIBA JOBIN YVON in Japan.

5) XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)5) XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)

산소 공공으로 인한 산화물 표면의 화학적 결합 상태의 변화를 확인하기 위해 XPS 분석을 실시하였다. 산소 공공이 도입되는 경우 표면에 다수의 불완전 결합 (dangling bond)가 증가하게 되면서 주로 -OH기와의 결합이 증가한다. XPS O 1s 스펙트럼에서 약 531.0 eV 부근에서 두드러지게 관찰되는 피크는 흑색 TiO2의 화학적 결합 상태가 변화하면서 나타나는 일반적인 특징으로 알려져있다. 사용한 장비는 미국의 Thermo scientific사 제품인 ESCALAB 250이다.XPS analysis was performed to confirm the change in the chemical bonding state of the oxide surface due to oxygen vacancies. When oxygen vacancies are introduced, a number of incomplete bonds (dangling bonds) on the surface increase, and bonds with -OH groups mainly increase. The peak observed prominently around 531.0 eV in the XPS O 1s spectrum is known as a general feature that appears as the chemical bonding state of black TiO 2 changes. The equipment used was ESCALAB 250, a product of Thermo scientific in the United States.

6) UV-VIS spectrophotometer6) UV-VIS spectrophotometer

합성된 시료의 광학적 특성을 분석하기 위하여 UV-VIS spectrophotometer를 이용하였으며, 파장대는 200nm부터 1400nm까지 측정하여 자외선부터 근 적외선까지 흡수 영역을 알아보았다. 대조군은 합성된 입자를 대기중에서 열처리하여 만들어진 백색 산화물로 선정하였다. 사용한 장비는 일본의 SHIMADZU사 제품인 UV-2600을 이용하였다. A UV-VIS spectrophotometer was used to analyze the optical properties of the synthesized sample, and the wavelength band was measured from 200 nm to 1400 nm to determine the absorption range from ultraviolet to near infrared. The control group was selected as a white oxide produced by heat-treating the synthesized particles in the atmosphere. The equipment used was UV-2600 manufactured by SHIMADZU of Japan.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 이하의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명이 이하의 실시예로 한정되는 것은 전혀 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples at all.

실시예 1. 마이크로 크기의 흑색 이산화티탄 입자Example 1. Micro-sized black titanium dioxide particles

실시예 1-1.Example 1-1.

시료는 초음파 분무 열분해법으로 합성하였으며, 사용된 용액은 티타늄 테트라 이소프로폭사이드를 100ml의 무수 에탄올(Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%)에 100mM의 농도로 첨가하여 제조되었다. 용액은 상온에서 300 rpm으로 24시간동안 교반하였으며, 용액 주입 속도는 1.2 ml/min으로 고정하였다. 미세 액적을 생성하는 초음파 단자의 진동수는 1.7MHz로 하였으며, 그 미세 액적을 예열된 로 안으로 이동시키는 운반 가스는 N2(99.999%)를 사용하여 2L/min의 속도로 흘려주었다. 용매를 증발시키는 하부의 온도는 200℃로 고정시키고 상부의 온도를 500℃로 하여 온도 차이에 따른 흑색 이산화티탄의 형상, 크기, 결정성 및 광촉매 특성을 측정하였다. 이하에서는, 합성된 입자를 결정화 온도에 따라 BTM-500이라 기재하는 경우가 있다.The sample was synthesized by ultrasonic spray pyrolysis, and the solution used was added to 100 ml of absolute ethanol (Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%) of titanium tetra isopropoxide at a concentration of 100 mM. was manufactured by The solution was stirred at room temperature at 300 rpm for 24 hours, and the solution injection rate was fixed at 1.2 ml/min. The frequency of the ultrasonic terminal generating micro-droplets was set to 1.7 MHz, and the carrier gas for moving the micro-droplets into the preheated furnace was flowed at a rate of 2 L/min using N 2 (99.999%). The temperature of the lower part of evaporating the solvent was fixed at 200 °C, and the upper temperature was set at 500 °C, and the shape, size, crystallinity and photocatalytic properties of black titanium dioxide according to the temperature difference were measured. Hereinafter, the synthesized particles may be referred to as BTM-500 depending on the crystallization temperature.

실시예 1-2.Example 1-2.

상부의 온도를 900℃로 하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 흑색 이산화티탄을 제조하였다. 이하에서는, 합성된 입자를 결정화 온도에 따라 BTM-900으로 기재하는 경우가 있다.Black titanium dioxide was prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the upper temperature was set to 900°C. Hereinafter, the synthesized particles may be referred to as BTM-900 depending on the crystallization temperature.

측정예 1-1. 온도에 따른 색의 변화Measurement Example 1-1. Change of color according to temperature

실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 제조된 분말의 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2의 (A)는 BTM-500, (B)는 BTM-900, (C)는 Degussa사의 P25이다. BTM-500은 옅은 회색을 나타내었으며, 고온에서 합성한 BTM-900은 검은색에 가까운 보다 짙은 회색으로 변화하였다. 도 2의 (C)에 나타낸 Degussa사의 P25의 색과 비교하여 보았을 때, 흰색이 아닌 회색인 것으로 보아 표면의 산소 공공이 생겼을 것으로 추정된다.The photos of the powders prepared in Examples 1-1 and 1-2 are shown in FIG. 2 . 2A is a BTM-500, (B) is a BTM-900, (C) is a P25 manufactured by Degussa. BTM-500 showed a light gray color, and BTM-900 synthesized at high temperature changed to a darker gray color close to black. When compared with the color of Degussa's P25 shown in (C) of FIG. 2 , it is estimated that oxygen vacancies on the surface have been formed as it is gray rather than white.

측정예 1-2. 주사전자현미경(FE-SEM)을 이용한 미세구조 분석Measurement example 1-2. Microstructure analysis using scanning electron microscope (FE-SEM)

실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 제조된 입자의 미세구조를 FE-SEM을 통하여 분석하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 (A) 및 (C)는 BTM-500이고, (B) 및 (D)는 BTM-900이다. 관찰 결과 입자의 크기는 약 0.5~1.5㎛로 확인되었고, 또한 구형의 형상을 나타내었다.The microstructures of the particles prepared in Examples 1-1 and 1-2 were analyzed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 3 . 3 (A) and (C) are BTM-500, (B) and (D) are BTM-900. As a result of observation, the size of the particles was confirmed to be about 0.5 to 1.5 μm, and also exhibited a spherical shape.

측정예 1-3. X선 회절분석(XRD)을 이용한 결정구조 분석Measurement example 1-3. Crystal structure analysis using X-ray diffraction analysis (XRD)

실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 제조된 입자의 XRD 분석 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4의 (A)는 BTM-500, (B)는 BTM-900이다. 얻어진 회절패턴은 JCPDS 카드 정보와 대조하여 아나타제상 TiO2(JCPDS #21-1272)인 것을 확인하였고, 고온 안정상인 루타일상 TiO2(JCPDS #21-1276)은 관찰되지 않음을 확인했다. 합성 온도가 증가함에 따라 피크의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 2θ가 25.281°인 아나타제상 TiO2 (101) 피크로부터 확인된다. 관찰된 피크의 강도가 매우 높고, BTM-900에서는 세부적으로 피크가 다양하게 나뉘어 확인이 가능한 것으로 보아 결정성이 매우 우수하다. 또한 BTM-500과 BTM-900의 피크 강도 차이를 보아 결정화구간의 온도가 증가함에 따라서 결정성이 증가한다는 것을 확인할 수 있다.The results of XRD analysis of the particles prepared in Examples 1-1 and 1-2 are shown in FIG. 4 . 4 (A) is a BTM-500, (B) is a BTM-900. The obtained diffraction pattern was compared with JCPDS card information to confirm that it was anatase-phase TiO 2 (JCPDS #21-1272), and it was confirmed that rutile-phase TiO 2 (JCPDS #21-1276), a high-temperature stable phase, was not observed. It was confirmed that the intensity of the peak increased as the synthesis temperature increased, which is confirmed from the anatase-phase TiO 2 (101) peak with 2θ of 25.281°. The intensity of the observed peak is very high, and in BTM-900, it is possible to identify the peaks in various details, so the crystallinity is very good. Also, by looking at the difference in peak intensity between BTM-500 and BTM-900, it can be confirmed that the crystallinity increases as the temperature of the crystallization section increases.

측정예 1-4. X선 광전자 분광법(XPS)을 통한 산소 공공의 존재 확인Measurement example 1-4. Confirmation of the presence of oxygen vacancies by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

도 5에 BTM-900과 일반적인 아나타제상 TiO2의 O 1s XPS 스펙트럼을 나타내었다. 도 5의 (A)는 BTM-900, (B)는 시중에 판매되고 있는 캐나다의 MKnano사 제품인 10nm 크기의 아나타제상 TiO2이다. 일반적인 TiO2는 주 피크가 529.6eV 부근에서 나타나고, 흑색 이산화티탄은 결함으로 인한 이동 때문에 530 eV 이후에서 주 피크가 나타나는 것으로 알려져 있다. BTM-900의 스펙트럼인 도 5의 (A)를 보면, 주 피크가 약 530.5 eV에서 나타났고, Ti-OH 등 흡착된 산소의 피크라고 알려진 532 eV 이후의 피크가 대조군인 (B)에 비하여 높게 관찰되었다. 이 영역에서 나타나는 피크는 흑색 TiO2의 주요 특징으로 알려져 있으며, 산소 결함의 도입으로 인해 나타나는 것으로 알려져 있다. 산소 결함으로 인한 피크가 매우 높게 관찰된 것으로 보아, 많은 양의 산소 공공 또는 내부 결함을 갖는 흑색 이산화티탄이 합성됨을 알 수 있다.5 shows the O 1s XPS spectrum of BTM-900 and general anatase-phase TiO 2 . 5(A) is BTM-900, (B) is anatase-phase TiO 2 of 10 nm size, which is a product of MKnano of Canada, which is commercially available. In general TiO 2 , the main peak appears around 529.6 eV, and in black titanium dioxide, the main peak appears after 530 eV due to defect movement. Looking at (A) of FIG. 5, which is the spectrum of BTM-900, the main peak appeared at about 530.5 eV, and the peak after 532 eV, which is known as the peak of oxygen adsorbed such as Ti-OH, is higher than that of the control group (B). observed. The peak appearing in this region is known as the main characteristic of black TiO 2 and is known to appear due to the introduction of oxygen defects. Since the peak due to oxygen defects is observed very high, it can be seen that black titanium dioxide having a large amount of oxygen vacancies or internal defects is synthesized.

측정예 1-5. 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정Measurement example 1-5. Absorbance Measurement Using Ultraviolet-Visible Spectrophotometer

BTM-500과 BTM-900이 기존에 알려진 흑색 이산화티탄의 광학적 특성과 일치하는지 알아보기 위하여, 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용해 흡광도를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. BTM-900 입자의 경우 가시광선 영역의 흡광을 나타내었고, 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이, Kubelka-Munk 식에 의해 반사율을 변환시켜 밴드갭을 계산하였을 때 기존의 백색 TiO2의 밴드갭 3.0~3.2eV 보다 작은 밴드갭을 확인할 수 있다.In order to find out whether BTM-500 and BTM-900 match the optical properties of known black titanium dioxide, absorbance was measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer, and the results are shown in FIG. 6 . In the case of BTM - 900 particles, absorption in the visible ray region was exhibited, and as shown in FIG. A bandgap smaller than 3.0~3.2eV can be seen.

상기 실시예 1의 결과로부터, TTIP 전구체의 열분해 반응 및 공정 분위기를 제어함으로써, 이산화티탄의 산화를 억제하여 흑색 이산화티탄 입자가 직접 합성되는 것을 확인할 수 있다.From the results of Example 1, it can be confirmed that the black titanium dioxide particles are directly synthesized by controlling the thermal decomposition reaction and the process atmosphere of the TTIP precursor, thereby inhibiting the oxidation of titanium dioxide.

실시예 2. 나노 크기를 갖는 흑색 이산화티탄Example 2. Black Titanium Dioxide with Nano Size

시료는 초음파 분무 열분해법으로 합성하였으며, 전구체 용액은 실시예1과 동일하게 티타늄 테트라 이소프로폭사이드를 100ml 무수 에탄올 (Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%)에 100mM 농도로 첨가하여 제조하였으며, 추가적으로 착화제로써 시트르산을 금속 이온과 일정 몰비로 첨가하였다. 용액은 상온에서 300rpm으로 24시간동안 교반하였으며, 용액 주입 속도는 1.2ml/min으로 고정하였다. 미세 액적을 생성하는 초음파 단자의 진동수는 1.7MHz로 하였으며, 그 미세 액적을 예열된 로 안으로 이동시키는 운반 가스는 N2(99.999%)를 사용하여 2L/min의 속도로 유입하였다. 용매를 증발시키는 하부의 온도는 200℃로 고정시키고, 결정화 구간(상부)의 온도는 900℃로 고정하였다. 이하, 생성된 입자를 BT-900로 표기하였고, 합성 방법의 전체적인 정보는 도 7에 나타내었다.The sample was synthesized by ultrasonic spray pyrolysis, and the precursor solution was 100mM titanium tetraisopropoxide in 100ml absolute ethanol (Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%) in the same manner as in Example 1. It was prepared by adding the concentration, and citric acid was added as a complexing agent in a predetermined molar ratio with the metal ion. The solution was stirred at room temperature at 300 rpm for 24 hours, and the solution injection rate was fixed at 1.2 ml/min. The frequency of the ultrasonic terminal generating micro-droplets was set to 1.7 MHz, and the carrier gas for moving the micro-droplets into the preheated furnace was introduced at a rate of 2 L/min using N 2 (99.999%). The temperature of the lower part for evaporating the solvent was fixed at 200 °C, and the temperature of the crystallization section (upper part) was fixed at 900 °C. Hereinafter, the generated particles were denoted as BT-900, and overall information of the synthesis method is shown in FIG. 7 .

측정예 2-1. 주사전자현미경(SEM)을 이용한 미세구조 분석Measurement Example 2-1. Microstructure Analysis Using Scanning Electron Microscopy (SEM)

BT-900의 미세구조를 FE-SEM을 통하여 분석하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 형상은 구형이고, 응집에서 자유로운 모습을 나타내었다. 합성된 나노 입자의 크기는 약 10~30nm 정도로 확인되었다. The microstructure of BT-900 was analyzed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 8 . The shape was spherical and showed a free form from agglomeration. The size of the synthesized nanoparticles was confirmed to be about 10 to 30 nm.

측정예 2-2. X선 회절분석(XRD)을 이용한 결정구조 분석Measurement example 2-2. Crystal structure analysis using X-ray diffraction analysis (XRD)

BT-900의 XRD 분석 결과를 도 9에 나타내었다. 얻어진 회절패턴은 JCPDS 카드 정보와 대조하여 아나타제상 TiO2(JCPDS #21-1272)인 것을 확인하였고, 고온 안정상인 루타일상 TiO2(JCPDS #21-1276)으로의 상전이도 관찰되었다. 이는 보다 높은 온도에서 공정을 진행할 시 아나타제 및 루타일상의 복합구조를 합성할 수 있음을 보여준다.The results of XRD analysis of BT-900 are shown in FIG. 9 . The obtained diffraction pattern was compared with JCPDS card information to confirm that it was anatase-phase TiO 2 (JCPDS #21-1272), and a phase transition to rutile-phase TiO 2 (JCPDS #21-1276), a high-temperature stable phase, was also observed. This shows that complex structures of anatase and rutile phases can be synthesized when the process is carried out at a higher temperature.

X선 회절분석을 통하여 얻은 피크의 반가폭(full width at half maximum)을, scherrer의 식을 이용하면 평균적인 입자의 크기를 구할 수 있다. scherrer의 식은 다음과 같다.The average particle size can be obtained by using the full width at half maximum of the peak obtained through X-ray diffraction analysis and Scherrer's equation. Scherrer's expression is:

Figure 112020106233719-pat00001
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여기서 d는 입자의 크기이고 λ는 X선의 파장(Cu-Ka=1.5406Å)이며, b는 얻어진 피크의 반가폭을, θ는 회절 되어 나오는 산란각(Bragg angle)을 말한다. 합성된 입자들의 13.7nm의 크기를 갖는 것으로 계산되었다. 이것은 합성된 나노입자를 구성하는 1차 입자의 크기를 의미한다.Here, d is the particle size, λ is the wavelength of X-rays (Cu-Ka=1.5406 Å), b is the half width of the obtained peak, and θ is the diffracted scattering angle (Bragg angle). The synthesized particles were calculated to have a size of 13.7 nm. This means the size of the primary particles constituting the synthesized nanoparticles.

측정예 2-3. 투과전자 현미경(TEM)을 통한 미세구조 분석Measurement example 2-3. Microstructure Analysis by Transmission Electron Microscopy (TEM)

투과전자 현미경을 통하여 분석한 BT-900의 미세구조 사진을 도 10에 나타내었다. 도 10의 (A)는 BT-900의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴을 나타낸다. 합성된 입자는 구형의 형상을 가지며, 크기는 약 10nm에서 30nm이다. 도 10의 (B)에 나타낸 고배율의 TEM 이미지를 통해 격자 사이의 면간 거리를 확인한 결과 0.348nm로 아나타제상 TiO2 (101)의 면간 거리보다 작은 값을 보여주었지만, SAED 패턴 측정 결과와 함께 격자가 매우 뚜렷한 것으로부터 결정성이 우수함을 확인할 수 있다. 면간 거리의 변화는 도입된 산소공공에 의해 구조적 규칙성이 감소하면서 나타난 결과이다.A microstructure photograph of BT-900 analyzed through a transmission electron microscope is shown in FIG. 10 . 10A shows a selected area electron diffraction (SAED) pattern of BT-900. The synthesized particles have a spherical shape and have a size of about 10 nm to 30 nm. As a result of confirming the interplanar distance between the gratings through the TEM image at high magnification shown in FIG. It can be seen that the crystallinity is excellent from the very clear . The change in the interplanar distance is a result of the decrease in structural regularity due to the introduced oxygen vacancies.

또한 흑색 이산화티탄의 대표적인 특징인 표면에 뚜렷하게 격자가 보이지 않는 무질서 층(disorder layer)이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이 층은 TiO2의 띠 간격을 줄이는 원인인 표면 산소 공공 또는 결함이 도입되었기 때문에 나타나는 층이다. 따라서 초음파 분무 열분해법으로 나노 입자를 직접 합성하였으며 합성한 흑색 이산화티탄도 다른 공지된 결과처럼 산소 공공 및 결함으로 인해 입자의 색이 변화한 것으로 판단된다.In addition, it can be confirmed that a disorder layer in which a lattice is not clearly visible is present on the surface, which is a typical characteristic of black titanium dioxide. This layer appears due to the introduction of surface oxygen vacancies or defects, which cause the band spacing of TiO 2 to be reduced. Therefore, nanoparticles were directly synthesized by ultrasonic spray pyrolysis, and it is judged that the color of the synthesized black titanium dioxide was changed due to oxygen vacancies and defects as in other known results.

측정예 2-4. X선 광전자 분광법(XPS)을 통한 산소 공공의 존재 확인Measurement example 2-4. Confirmation of the presence of oxygen vacancies by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

도 11에 BT-900의 O 1s XPS 스펙트럼을 나타내었다. 비교군으로 대기중에서 BT-900 입자를 열처리하여 백색으로 변화한 TiO2 분말(WT900)을 사용하였다. 앞서 BTM-900의 결과와 비슷한 결과를 나타내었고, 530.1 eV에서 주 피크를 나타내어 대부분의 흑색 이산화티탄의 알려진 결합 피크와 일치했다. 531.4 eV의 피크는 Ti-OH 등 흡착된 산소의 피크이고, 대조군에 비해서 초음파 분무 열분해법으로 합성된 흑색 이산화티탄은 531.4 eV의 피크가 더 큰 것으로 확인되어, 산소 공공의 영향임을 알 수 있었다. 11 shows the O 1s XPS spectrum of BT-900. As a comparison group, TiO 2 powder (WT900) changed to white by heat treatment of BT-900 particles in the air was used. The results were similar to those of BTM-900 previously, and the main peak was shown at 530.1 eV, which was consistent with the known binding peak of most black titanium dioxide. The 531.4 eV peak is the peak of adsorbed oxygen such as Ti-OH, and the 531.4 eV peak of the black titanium dioxide synthesized by ultrasonic spray pyrolysis is larger than that of the control, confirming that it is the effect of oxygen vacancies.

측정예 2-5. 라만 분광법을 이용한 결정 구조 분석Measurement example 2-5. Crystal structure analysis using Raman spectroscopy

흑색 이산화티탄 특유의 표면 산소 공공으로 인해 구조적 규칙성이 감소하면서 라만 스펙트럼 피크의 변화가 관찰되는지, 또는 XRD로 확인되지 않은 다른 상이 존재하는지를 확인해 보기 위하여 라만 분광법으로 분석을 진행하였고 그 결과를 도 12에 나타내었다.Raman spectroscopy was performed to check whether a change in the Raman spectrum peak was observed while structural regularity was reduced due to surface oxygen vacancies peculiar to black titanium dioxide, or whether other phases not confirmed by XRD existed, and the results are shown in FIG. 12 shown in

흑색 이산화티탄을 합성한 여러 연구 결과에서 보고된 바에 의하면 흑색 이산화티탄의 주 피크는 백색 TiO2가 갖는 144cm-1보다 오른쪽으로 이동된 152cm-1 전후로 피크가 나타난다. 이 144cm-1 피크는 TiO2 내부에 있는 Ti-O-Ti 결합의 피크이고, 합성된 입자에 존재하는 결함으로 인해 라만 산란이 변화하면서 피크의 이동이 나타난다. 라만 스펙트럼에서 뒤 파장대로 갈수록 나타나는 피크는 표면에 존재하는 결합인데, 약 640cm-1 부근에 있는 피크가 표면에 존재하는 Ti-O-Ti 결합의 피크라고 알려져 있다.According to reports from several studies synthesizing black titanium dioxide, the main peak of black titanium dioxide appears around 152 cm -1 shifted to the right rather than 144 cm -1 of white TiO 2 . This 144 cm -1 peak is a peak of the Ti-O-Ti bond inside TiO 2 , and the shift of the peak appears as Raman scattering changes due to defects present in the synthesized particles. In the Raman spectrum, the peak appearing toward the rear wavelength band is a bond existing on the surface, and the peak in the vicinity of about 640 cm -1 is known as the peak of the Ti-O-Ti bond existing on the surface.

초음파 분무 열분해법으로 900℃에서 합성된 흑색 이산화티탄의 라만 스펙트럼을 보면, 주 피크가 약 152.6cm-1 부근에 존재하고 뒤 파장대의 피크는 뚜렷하게 관찰되지 않은 것을 확인할 수 있다. 내부에는 결정성이 우수한 아나타제상 TiO2의 격자가 존재하기 때문에 흑색 이산화티탄의 주 피크가 나타날 수 있었고 표면의 산소 공공의 영향으로 표면의 결합 피크가 나타나는 뒤 파장대에서는 피크가 정확히 관찰되지 않은 것이다. Looking at the Raman spectrum of black titanium dioxide synthesized at 900°C by ultrasonic spray pyrolysis, it can be seen that the main peak is present in the vicinity of about 152.6 cm -1 and the peak in the rear wavelength band is not clearly observed. Since the lattice of anatase-phase TiO 2 with excellent crystallinity exists inside, the main peak of black titanium dioxide could appear, and the peak was not accurately observed in the wavelength band after the surface bonding peak appeared due to the influence of oxygen vacancies on the surface.

측정예 2-6. 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정Measurement example 2-6. Absorbance Measurement Using Ultraviolet-Visible Spectrophotometer

초음파 분무 열분해법으로 합성된 흑색 이산화티탄의 광학적 특성을 평가하기 위하여 먼저 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용해 흡광도를 측정하였고, 그 결과를 도 13에 나타내었다. 비교군으로 대기중에서 BT-900 입자를 열처리하여 백색으로 변화한 TiO2 분말(WT900)을 사용하였다.In order to evaluate the optical properties of black titanium dioxide synthesized by ultrasonic spray pyrolysis, absorbance was first measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer, and the results are shown in FIG. 13 . As a comparison group, TiO 2 powder (WT900) changed to white by heat treatment of BT-900 particles in the air was used.

대조군인 열처리한 입자는 가시광선 영역인 400nm 이하의 빛은 전혀 흡수하지 않았지만, 본원발명의 흑색 이산화티탄은 가시광선 영역 및 근적외선 영역을 흡수하는 경향을 나타내었다. 또한 Kubelka-Munk 식을 이용하여 띠 간격을 계산한 결과 기존의 백색 TiO2의 띠 간격(3.0~3.2eV)보다 작은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.The heat-treated particles as a control did not absorb any light of 400 nm or less in the visible ray region, but the black titanium dioxide of the present invention showed a tendency to absorb the visible ray region and the near-infrared region. In addition, as a result of calculating the band gap using the Kubelka-Munk equation, it can be confirmed that the band gap of the existing white TiO 2 is smaller than the band gap (3.0~3.2 eV).

측정예 2-7. 광촉매 특성 평가Measurement example 2-7. Evaluation of photocatalytic properties

초음파 분무 열분해법으로 합성한 흑색 이산화티탄 입자의 광촉매 특성을 확인하기 위하여 대조군을 P25로 하여 가시광선에서 DI water에 1x10-5M로 희석한 메틸렌 블루(Methylene blue) 용액 100ml를 이용해 광화학적분해 실험을 진행하였다. 흑색 이산화티탄 시료는 BT-900을 사용하였고, 0.05g을 용액 속에 투입하였다. 시료와 메틸렌 블루의 물리적 흡착-탈착 평형을 맞추기 위하여 150분간 암실에 둔 후 빛의 조사(irradiation)를 시작하였다. 조사 이후에 30분마다 용액을 1.5ml씩 채취하여 자외선-가시광선 분광 광도계로 흡광도를 측정하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다. P25은 거의 광촉매 특성을 나타내지 않았고, BT-900은 가시광선 이하의 영역에서 광촉매 특성을 나타냈다. 백색의 TiO2는 띠 간격이 3.0~3.2eV로 가시광선 영역을 거의 흡수하지 않기 때문에 가시광선 영역에서 광촉매 특성을 나타내지 않는 것이 일반적이며, 도 14에 나타난 것처럼 광촉매 특성이 매우 저조했다. BT-900이 물리적 흡착률이 높은 것을 확인하였는데, 이는 표면의 무수한 산소 공공으로 인해 나타나는 표면 전하 차이 또는 시료의 물리적 흡착력의 증가가 원인이라고 추정된다.In order to confirm the photocatalytic properties of black titanium dioxide particles synthesized by ultrasonic spray pyrolysis, a photochemical decomposition experiment was conducted using 100 ml of methylene blue solution diluted to 1x10 -5 M in DI water in visible light with P25 as the control group. proceeded. For the black titanium dioxide sample, BT-900 was used, and 0.05 g was added into the solution. In order to equilibrate the physical adsorption-desorption equilibrium between the sample and methylene blue, it was placed in a dark room for 150 minutes and then light irradiation was started. After irradiation, 1.5 ml of the solution was collected every 30 minutes and absorbance was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer, and the results are shown in FIG. 14 . P25 showed almost no photocatalytic properties, and BT-900 showed photocatalytic properties in the region below visible light. White TiO 2 generally does not exhibit photocatalytic properties in the visible light range because it hardly absorbs the visible light range with a band interval of 3.0 to 3.2 eV, and the photocatalytic properties were very poor as shown in FIG. 14 . It was confirmed that BT-900 had a high physical adsorption rate, which is presumed to be caused by a difference in surface charge due to the countless oxygen vacancies on the surface or an increase in the physical adsorption power of the sample.

분해 효율과 그 속도를 계산하기 위해 하기 식을 이용하였고, 그 결과를 도 14의 (B)에 나타내었다. 식의 C는 가장 높은 흡광도를 나타내는 663nm의 흡광도 값으로 설정하여 계산하였다.The following formula was used to calculate the decomposition efficiency and its rate, and the results are shown in (B) of FIG. 14 . Equation C was calculated by setting the absorbance value of 663 nm, which shows the highest absorbance.

광촉매 분해 효율(%) = (C1-C)/C1 x 100Photocatalytic degradation efficiency (%) = (C 1 -C)/C 1 x 100

Figure 112020106233719-pat00002
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여기서 C1은 흡착-탈착 평형을 이룬 이후에 빛을 조사하기 직전 측정한 663nm에서의 흡광도이고, C는 30분마다 샘플을 채취하여 측정한 값으로 총 120분 동안 측정하였다. 또한, Co와 C는 각각 반응 유기물의 초기 및 특정 반응시간(t) 후의 농도이며, kapp는 유사 1차 속도 상수이다. 이 속도상수는 온도 및 pH 등의 반응 조건에 영향을 받으며, 이 값이 커질수록 촉매는 큰 효율을 갖는다는 것을 의미한다. Here, C 1 is the absorbance at 663 nm measured just before light irradiation after the adsorption-desorption equilibrium is achieved, and C is the value measured by taking a sample every 30 minutes and measuring for a total of 120 minutes. In addition, C o and C are the concentrations at the initial stage and after a specific reaction time (t) of the reaction organic material, respectively, and k app is a pseudo-first-order rate constant. This rate constant is affected by reaction conditions such as temperature and pH, and the larger this value, the greater the efficiency of the catalyst.

도 14의 (A)에 나타난 광촉매 분해 효율로부터, 초음파 분무 열분해법으로 합성한 흑색 이산화티탄은 가시광선 이하의 영역에서 광촉매 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 합성 산소 공공의 형성으로 인해 띠 구조가 변하면서 가시광 이하의 파장 빛의 흡수가 가능해졌기 때문이다. 수치적인 속도 값을 구하기 위한 그래프를 도 14의 (B)에 나타내었다. BT-900은 1.13x10-2의 속도 상수(kapp)를 나타내었고 P25 보다 35배정도 빠른 속도 상수를 나타내었다. From the photocatalytic decomposition efficiency shown in FIG. 14(A), it was confirmed that black titanium dioxide synthesized by ultrasonic spray pyrolysis showed photocatalytic properties in the region below visible light. This is because the band structure is changed due to the formation of synthetic oxygen vacancies and absorption of light with wavelengths below visible light is possible. A graph for obtaining a numerical speed value is shown in (B) of FIG. 14 . BT-900 exhibited a rate constant (k app ) of 1.13x10 -2 and a rate constant 35 times faster than that of P25.

첨가된 착화제가 합성된 입자의 크기에 미치는 영향을 확인하기 위하여 착화제의 첨가 여부 및 결정화 온도를 제외하고는 실시예 2와 동일하게 입자를 합성하였고, FE-SEM 분석 결과를 도 15에 나타냈다. (A), (B) 및 (C)는 착화제를 첨가하여 각각 375oC, 400oC, 450oC에서 합성한 입자이다. 반면 (D), (E) 및 (F)는 착화제를 첨가하지 않고 동일 온도에서 합성한 입자이다. 도 15의 결과를 통해서 착화제가 첨가되었을 때 분해 과정을 거쳐 나노 크기의 입자로 크기가 변화하는 것을 확인 할 수 있다. 반면 착화제가 첨가되지 않은 경우 온도에 따른 입자의 크기 변화는 관찰되지 않았다.In order to check the effect of the added complexing agent on the size of the synthesized particles, the particles were synthesized in the same manner as in Example 2 except for the addition of the complexing agent and the crystallization temperature, and the FE-SEM analysis results are shown in FIG. 15 . (A), (B) and (C) are particles synthesized at 375 o C, 400 o C, and 450 o C, respectively, by adding a complexing agent. On the other hand, (D), (E) and (F) are particles synthesized at the same temperature without adding a complexing agent. From the results of FIG. 15 , it can be confirmed that when a complexing agent is added, the size is changed to nano-sized particles through a decomposition process. On the other hand, when no complexing agent was added, no change in particle size according to temperature was observed.

도 16은 용액 및 합성된 입자의 FT-IR 스펙트럼 결과를 나타내며, 화학적으로 결합된 잔류물과 유기 물질의 분해 온도를 확인한다. 도 16의 (A)는 전구체 용액의 FT-IR 스펙트럼을 나타내며, 착화제(도 16의 (A)에서, OA)를 도입할 때 1527cm-1과 1605cm-1에서 새로운 피크가 형성되는 것이 관찰된다. 티타늄 이온과 착화제가 결합되어있는 참조 데이터와 비교하면, 티타늄 전구체와 착화제가 화학적으로 결합하고 결합하지 않는 잔류 유기물이 존재하는 것으로 추정된다. 도 16의 (B)는 초음파 분무 열분해 이후 입자의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 전구체 용액에서 관찰된 1527cm-1과 1605cm-1에서의 피크는 450℃까지 유지되고, 티타늄 이온과 결합하지 않는 자유 상태의 유기물의 분해 및 티타늄 이온과 결합된 유기금속 화합물의 석출을 나타낸다. 또한, 이 피크의 감소는 유기 물질이 산소가 없는 분위기에서 충분히 분해될 수 있음을 시사한다.16 shows the FT-IR spectral results of the solution and synthesized particles, and confirms the decomposition temperature of the chemically bound residue and the organic material. 16 (A) shows the FT-IR spectrum of the precursor solution, and it is observed that new peaks are formed at 1527 cm -1 and 1605 cm -1 when a complexing agent (OA in FIG. 16 (A)) is introduced. . Compared with the reference data in which the titanium ion and the complexing agent are combined, it is assumed that the titanium precursor and the complexing agent are chemically bound and there is a residual organic material that does not bind. Figure 16 (B) shows the FT-IR spectrum of the particles after ultrasonic spray pyrolysis. The peaks at 1527 cm −1 and 1605 cm −1 observed in the precursor solution were maintained up to 450° C., indicating the decomposition of free organic matter not bound to titanium ions and precipitation of organometallic compounds bound to titanium ions. In addition, the decrease in this peak suggests that the organic material can be sufficiently decomposed in an oxygen-free atmosphere.

상기 실시예 2의 결과로부터 언급된 착화제 중 1종으로서 시트르산을 첨가하였을 때 1차 입자의 응집을 억제시켜 나노 크기의 입자 합성이 가능함을 확인하였다.From the results of Example 2, it was confirmed that nano-sized particles could be synthesized by inhibiting aggregation of primary particles when citric acid was added as one of the complexing agents mentioned above.

실시예 3. 마이크로 크기의 흑색 지르코니아 입자Example 3. Micro-sized black zirconia particles

시료는 흑색 이산화 이탄의 합성 공정과 동일하게 초음파 분무 열분해법으로 합성하였으며, 사용된 용액은 질산 지르코늄을 무수 에탄올(Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%)에 100mM의 농도로 첨가하여 제조되었다. 용액은 상온에서 300 rpm으로 24시간동안 교반하였으며, 용액 주입 속도는 1.2 ml/min으로 고정하였다. 미세 액적을 생성하는 초음파 단자의 진동수는 1.7MHz로 하였으며, 그 미세 액적을 예열된 로 안으로 이동시키는 운반 가스는 N2(99.999%)를 사용하여 2L/min의 속도로 흘려주었다. 용매를 증발시키는 하부의 온도는 200℃로 고정시키고 상부의 온도를 800℃로 하여 흑색 지르코니아의 형상, 크기, 결정성을 측정하였다.The sample was synthesized by ultrasonic spray pyrolysis in the same way as the synthesis process of black peat, and the solution used was zirconium nitrate in absolute ethanol (Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%) of 100 mM concentration was added. The solution was stirred at room temperature at 300 rpm for 24 hours, and the solution injection rate was fixed at 1.2 ml/min. The frequency of the ultrasonic terminal generating micro-droplets was set to 1.7 MHz, and the carrier gas for moving the micro-droplets into the preheated furnace was flowed at a rate of 2 L/min using N 2 (99.999%). The temperature of the lower part for evaporating the solvent was fixed at 200 °C, and the upper temperature was set at 800 °C to measure the shape, size, and crystallinity of black zirconia.

측정예 3-1. 주사전자현미경(SEM) 과 X선 회절분석(XRD)의 분석 결과Measurement example 3-1. Analysis results of scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD)

합성된 입자의 미세구조를 FE-SEM을 통하여 분석하였고, 그 결과를 도 17에 나타내었다. 흑색 이산화티탄과 유사하게 형상은 구형이고, 응집에서 자유로운 모습을 나타내었다.The microstructure of the synthesized particles was analyzed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 17 . Similar to black titanium dioxide, it was spherical in shape and exhibited a form free from agglomeration.

또한 X선 회절 패턴을 JCPDS 카드 정보와 대조하여 정방형 ZrO2(JCPDS #49-1642)인 것을 확인하였다. 하지만 산소 공공의 도입으로 결정구조의 규칙성이 감소하면서 각 회절피크의 강도와 선명도가 감소한 것으로 사료된다.In addition, the X-ray diffraction pattern was compared with the JCPDS card information to confirm that it was a square ZrO 2 (JCPDS #49-1642). However, it is thought that the intensity and clarity of each diffraction peak decreased as the regularity of the crystal structure decreased due to the introduction of oxygen vacancies.

측정예 3-2. 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정Measurement example 3-2. Absorbance Measurement Using Ultraviolet-Visible Spectrophotometer

산소 공공의 도입으로 인한 광학적 특성의 변화를 알아보기 위하여, 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용해 흡광도를 측정하였고, 그 결과를 도 18에 나타내었다. 기존의 백색 ZrO2와 다르게 산소 공공의 도입으로 인하여 띠 간격 내에 서브 에너지 준위가 형성되어 가시광선 및 근적외선 영역의 흡수가 가능함을 명확하게 확인 할 수 있다.In order to investigate the change in optical properties due to the introduction of oxygen vacancies, absorbance was measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer, and the results are shown in FIG. 18 . Unlike the existing white ZrO 2 , it can be clearly confirmed that a sub-energy level is formed within the band gap due to the introduction of oxygen vacancies, so that absorption of visible and near-infrared light is possible.

실시예 4. 나노 크기를 갖는 흑색 지르코니아Example 4. Black Zirconia with Nano Size

시료는 흑색 이산화 이탄의 합성 공정과 동일하게 초음파 분무 열분해법으로 합성하였으며, 사용된 용액은 질산 지르코늄을 무수 에탄올(Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%)에 100mM의 농도로 첨가하여 제조되었으며, 착화제로써 시트르산을 금속 이온과 일정 몰비로 첨가하였다. 용액은 상온에서 300 rpm으로 24시간동안 교반하였으며, 용액 주입 속도는 1.2 ml/min으로 고정하였다. 미세 액적을 생성하는 초음파 단자의 진동수는 1.7MHz로 하였으며, 그 미세 액적을 예열된 로 안으로 이동시키는 운반 가스는 N2(99.999%)를 사용하여 2L/min의 속도로 흘려주었다. 용매를 증발시키는 하부의 온도는 200℃로 고정시키고 상부의 온도를 800℃로 하여 공정을 진행하였다.The sample was synthesized by ultrasonic spray pyrolysis in the same way as the synthesis process of black peat, and the solution used was zirconium nitrate in absolute ethanol (Ethyl alcohol, Pure, Sigma aldrich, 200 proof, ACS reagent, >99.5%) of 100 mM It was prepared by adding the concentration, and as a complexing agent, citric acid was added with a metal ion in a predetermined molar ratio. The solution was stirred at room temperature at 300 rpm for 24 hours, and the solution injection rate was fixed at 1.2 ml/min. The frequency of the ultrasonic terminal generating micro-droplets was set to 1.7 MHz, and the carrier gas for moving the micro-droplets into the preheated furnace was flowed at a rate of 2 L/min using N 2 (99.999%). The temperature of the lower part to evaporate the solvent was fixed at 200 °C, and the process was carried out by setting the temperature of the upper part to 800 °C.

측정예 4-1 주사전자현미경(SEM) 과 X선 회절분석(XRD)의 분석 결과Measurement Example 4-1 Analysis result of scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD)

합성된 입자의 미세구조를 FE-SEM을 통하여 분석하였고, 그 결과를 도 19에 나타내었다. 합성된 흑색 지르코니아 나노 입자는 흑색 이산화티탄 나노 입자와 유사하게 형상은 구형이고, 응집에서 자유로운 모습을 나타내었으며 약 40nm 의 크기를 가지는 것으로 확인되었다.The microstructure of the synthesized particles was analyzed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 19 . The synthesized black zirconia nanoparticles were spherical in shape similar to black titanium dioxide nanoparticles, exhibited aggregation-free appearance, and were confirmed to have a size of about 40 nm.

또한 X선 회절 패턴을 JCPDS 카드 정보와 대조하여 정방형 ZrO2(JCPDS #49-1642)인 것을 확인하였다. 하지만 산소 공공의 도입으로 결정구조의 규칙성이 감소하면서 각 회절피크의 강도와 선명도가 감소한 것으로 사료된다.In addition, the X-ray diffraction pattern was compared with the JCPDS card information to confirm that it was a square ZrO 2 (JCPDS #49-1642). However, it is thought that the intensity and clarity of each diffraction peak decreased as the regularity of the crystal structure decreased due to the introduction of oxygen vacancies.

측정예 4-2. 투과전자 현미경(TEM)을 통한 미세구조 분석Measurement example 4-2. Microstructure Analysis by Transmission Electron Microscopy (TEM)

투과전자 현미경을 통하여 분석한 흑색 지르코니아의 미세구조 사진을 도 20에 나타내었다. 대조군으로 합성된 나노 입자를 600oC의 대기 분위기에서 1시간 동안 열처리 하여 얻어진 흰색 지르코니아 입자(W-ZrO2)를 사용하였다. 삽입된 SAED(selected area electron diffraction) 패턴은 모두 ZrO2으로 확인되었고, 흑색 지르코니아의 표면에서는 대표적인 흑색 산화물의 특징인 뚜렷하게 격자가 보이지 않는 무질서 층(disorder layer)이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면 대기중의 열처리를 통해 더욱 산화를 진행시킨 백색 지르코니아의 경우 입자의 표면까지 격자가 뚜렷하게 관찰되었다. 따라서 초음파 분무 열분해법으로 합성된 흑색 지르코니아 역시 다른 공지된 결과처럼 산소 공공 및 결함으로 인해 입자의 색이 변화한 것으로 판단된다.A photograph of the microstructure of black zirconia analyzed through a transmission electron microscope is shown in FIG. 20 . As a control, white zirconia particles (W-ZrO 2 ) obtained by heat-treating the synthesized nanoparticles in an atmospheric atmosphere at 600 o C for 1 hour were used. All inserted SAED (selected area electron diffraction) patterns were confirmed to be ZrO 2 , and it can be confirmed that a disorder layer in which a lattice is not clearly visible, which is characteristic of a typical black oxide, exists on the surface of black zirconia. On the other hand, in the case of white zirconia, which was further oxidized through heat treatment in the atmosphere, the lattice was clearly observed up to the surface of the particles. Therefore, it is judged that the color of the black zirconia synthesized by ultrasonic spray pyrolysis was also changed due to oxygen vacancies and defects, as in other known results.

측정예 4-3. 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용한 흡광도 측정Measurement example 4-3. Absorbance Measurement Using Ultraviolet-Visible Spectrophotometer

산소 공공의 도입으로 인한 광학적 특성의 변화를 알아보기 위하여, 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용해 흡광도를 측정하였고, 그 결과를 도 21에 나타내었다. 백색 ZrO2와 다르게 흑색 ZrO2는 가시광선 이하의 영역에서 뚜렷한 흡수를 나타내었으며 이를 통해 산소 공공의 도입으로 인하여 띠 간격 내에 서브 에너지 준위가 형성되어 가시광선 및 근적외선 영역의 흡수가 가능함을 명확하게 확인 할 수 있다.In order to investigate the change in optical properties due to the introduction of oxygen vacancies, absorbance was measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer, and the results are shown in FIG. 21 . Unlike white ZrO 2 , black ZrO 2 showed clear absorption in the sub-visible region, and through this, sub-energy levels were formed within the band gap due to the introduction of oxygen vacancies, clearly confirming that absorption of visible and near-infrared rays is possible. can do.

Claims (10)

금속 이온을 포함하는 전구체를 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계;
초음파를 이용하여 상기 전구체 용액을 액적 상태로 형성하는 단계;
운반 가스를 이용하여 상기 액적 상태의 전구체 용액을 로(furnace)의 내부로 분무하는 단계; 및
상기 로의 내부에서 상기 액적이 열분해되고 산화되는 단계를 포함하고,
상기 전구체는 금속 이온을 포함하는 알콕사이드이며,
상기 용매는 메탄올, 에탄올, DMSO(Dimethyl sulfoxide), DMF(Dimethyl formamide) 및 DMA(Dimethyl acetamide)을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종이고,
상기 전구체 용액을 제조하는 단계에 있어서, 착화제(complex agent)를 상기 용매에 추가로 첨가하고, 상기 착화제는 옥살산, 올레산, 시트르산 및 베타 디케톤을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법.
preparing a precursor solution by adding a precursor containing metal ions to a solvent;
forming the precursor solution in a droplet state using ultrasonic waves;
spraying the precursor solution in the droplet state into the inside of a furnace using a carrier gas; and
pyrolyzing and oxidizing the droplets inside the furnace;
The precursor is an alkoxide containing a metal ion,
The solvent is any one selected from the group comprising methanol, ethanol, DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (dimethyl formamide) and DMA (dimethyl acetamide),
In the step of preparing the precursor solution, a complex agent is further added to the solvent, and the complexing agent is any one selected from the group consisting of oxalic acid, oleic acid, citric acid and beta-diketone black oxide particles (Black Oxide particles) manufacturing method.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 금속 이온은 산소와 결합하여 2.5eV 이상 4.9eV 이하의 띠 간격(bandgap)을 갖는 금속 산화물을 형성하는 것인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법
The method of claim 1,
The metal ions combine with oxygen to form a metal oxide having a bandgap of 2.5 eV or more and 4.9 eV or less.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 운반 가스는 질소, 헬륨 및 아르곤을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 불활성 가스인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법.
The method of claim 1,
The carrier gas is at least one inert gas selected from the group consisting of nitrogen, helium and argon. Method for producing black oxide particles.
제 1 항에 있어서,
상기 로의 내부의 하부 온도는 200℃이고, 상부 온도는 600~900℃인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method of producing black oxide particles, wherein the lower temperature inside the furnace is 200 °C, and the upper temperature is 600 to 900 °C.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 베타 디케톤은, 2,4-펜탄디온, 3-메틸-2,4-펜탄디온, 3-이소프로필-2,4-펜탄디온, 2,2-디메틸-3,5-헥사디온 및 4,4,4-트라이플루오로-1-(2-나프틸)-1,3-뷰테인다이온을 포함하는 군으로부터 선택된 어느 1종인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법.
The method of claim 1,
The beta diketone is 2,4-pentanedione, 3-methyl-2,4-pentanedione, 3-isopropyl-2,4-pentanedione, 2,2-dimethyl-3,5-hexadione and 4 , 4,4-trifluoro-1-(2-naphthyl)-1,3-butane ion method for producing any one selected from the group consisting of black oxide particles (Black Oxide particles).
제 9 항에 있어서,
상기 용매에 첨가되는 금속 이온과 상기 착화제의 몰(mol)비는 1:1~1:20 인 흑색 산화물 입자(Black Oxide particles)의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
A method for producing black oxide particles, wherein the molar ratio of the metal ion and the complexing agent added to the solvent is 1:1 to 1:20.
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