KR102657416B1 - 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법 및 이에 따라 제조된 광촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는, (i) 이산화 타이타늄을 준비하는 단계; (ii) 상기 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체를 혼합하는 단계; 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 혼합물을 하소하는 단계;를 포함하여 수득하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 자외선이나 고열에너지원 등과 같은 고 에너지원 없이도, 가시광선 하에서 이산화탄소 치환 반응의 촉매 반응을 수행할 수 있는 이산화 티타늄계 광촉매를 제공할 수 있으며, 그 효율 또한 현저하게 개선된다.
본 발명에 따르면, 자외선이나 고열에너지원 등과 같은 고 에너지원 없이도, 가시광선 하에서 이산화탄소 치환 반응의 촉매 반응을 수행할 수 있는 이산화 티타늄계 광촉매를 제공할 수 있으며, 그 효율 또한 현저하게 개선된다.
Description
본 발명은 이산화 타이타늄 광촉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀 산화물을 이용하여 가시광에 대한 반응성을 개선한 이산화 타이타늄 기반의 광촉매에 관한 것이다.
파리 협정 및 UN의 국가 자발적 감축목표(INCD)에 따라 온실가스 배출량의 대폭적인 감소가 필요하며, 특히, 국내에서 배출되는 온실가스는 이산화탄소가 가장 많은 비중을 차지하므로 이에 대한 대응책이 시급한 상황이다.
이산화탄소 저감을 위한 기술로 CCUS(Carbon Capture & Utilization & Storage) 기술이 주목받고 있으나, 이는 공장 및 발전소 등 점 오염원에 한정적이며, 운송 및 난방 등에서 발생한 대기중의 이산화탄소를 저감하는 것에 한계가 존재한다.
또한 운송 및 난방 등에서 발생한 대기중의 이산화탄소를 저감하기 위해 촉매를 이용하여 이산화탄소를 연료원으로 치환하는 기술은 대부분 고온의 열 또는 자외선 광원이 요구되어 대기중의 이산화탄소를 별도로 포집하여 반응시켜야 하는 한계가 존재한다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2021-0048389호(발명의 명칭 : 광촉매 비드의 제조 방법 및 광촉매 비드를 포함하는 광촉매 필터)의 경우 이산화 타이타늄을 포함하는 과립형 광촉매 비드의 제조방법 및 광촉매 비드를 개시하고 있으나, 상기 이산화 타이타늄을 포함하는 광촉매 비드의 경우 파장이 400nm 이하인 자외선 영역에서만 광촉매 활성이 나타나는 문제가 있다.
따라서, 부가적인 고에너지의 열원이나 광원 없이 가시광 영역의 광원, 즉 태양광 하에서 촉매의 역할이 가능하여 대기중의 이산화탄소를 제거하거나 연료원으로 치환할 수 있는 광촉매 기술의 개발이 시급한 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, TiO2 대비 밴드갭이 작은 산화 그래핀을 적용하여 가시광 영역의 광원에서 촉매 역할이 가능하며, 전자의 공급이 원활하여 반응성이 향상된 광촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 간단한 방식으로 산화 그래핀이 첨가되어 반응성이 개선된 TiO2 광촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예는 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법이며, (i) 이산화 타이타늄을 준비하는 단계; (ii) 상기 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체를 혼합하는 단계; 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 혼합물을 하소하는 단계;를 구성으로 포함하여 수득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 이산화 타이타늄을 준비하는 단계는, (a) 타이타늄 전구체와 용매를 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계의 혼합물을 550℃ 이상 650℃ 이하에서 하소하는 단계;를 포함하여 이산화 타이타늄을 수득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (a) 단계의 타이타늄 전구체는, TiO2(anatase), TiO2(P25), Titanium isopropoxide 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체는, 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계는, 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ii) 단계의 탄소 전구체는, graphene oxide, graphene, reduced-graphene oxide, carbon nanotube, carbon nano-particles 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (iii) 단계의 하소는, 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도로 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (iii) 단계의 하소는, 1℃/min 이상 3℃/min 미만의 속도로 온도를 상승하며 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법에 따라 제조된 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매이다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매는, 그래핀 산화물이 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 고온의 열 또는 자외선 광원과 같은 강한 에너지원이 요구되지 않으며, 가시광 영역의 광원에서 촉매의 역할이 가능하여 대기중의 이산화탄소를 치환할 수 있다.
또한 전자의 흐름이 향상되어 촉매의 효율이 향상되므로 이산화탄소의 치환율이 증가한다.
또한 상기 장점을 가지는 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 간단한 방법으로 제조할 수 있어서 공정 비용이 감소되고 경제성이 확보되며, 적용에 어려움이 없으므로 상업적 적용에 어려움이 없다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법의 순서도이다.
도2는 이산화 타이타늄 및 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매가 이산화탄소를 치환하는 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법의 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법에 따라 제조된 (a) 이산화 타이타늄 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매이다.
도5는 (a) 이산화 타이타늄 광촉매 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 대상으로 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
도6은 하소하는 단계에 있어서, 온도 상승 속도를 달리하여 제조한 그래핀 산화물-타이타늄 광촉매의 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
도2는 이산화 타이타늄 및 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매가 이산화탄소를 치환하는 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법의 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법에 따라 제조된 (a) 이산화 타이타늄 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매이다.
도5는 (a) 이산화 타이타늄 광촉매 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 대상으로 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
도6은 하소하는 단계에 있어서, 온도 상승 속도를 달리하여 제조한 그래핀 산화물-타이타늄 광촉매의 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법의 순서도이다.
도1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법은, (i) 이산화 타이타늄을 준비하는 단계(S100); (ii) 상기 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체를 혼합하는 단계(S200); 및 (iii) 상기 (ii) 단계의 혼합물을 하소하는 단계(S300);를 포함하여 수득하는 것을 특징으로 한다.
세부적으로 상기 (i) 이산화 타이타늄을 준비하는 단계(S100)는, (a) 타이타늄 전구체와 용매를 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합하는 단계(S110); 및 (b) 상기 (a) 단계의 혼합물을 550℃ 이상 650℃ 이하에서 하소하는 단계(S120);를 포함하여 산화 타이타늄을 수득할 수 있다.
본 발명의 실시 예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법은, 이산화 타이타늄에 간단한 방식으로 산화 그래핀을 첨가하여 광촉매의 반응성을 개선하는 방법이다.
구체적으로 본 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법은, 교반 및 하소 과정만을 거쳐 제조하므로 복잡한 합성 과정이 요구되지 않으며, 따라서 기존의 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법 대비 간단한 장점을 가진다.
또한 하소 과정의 온도와 상승 속도의 제어만으로 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매의 반응성을 더욱 개선할 수 있는 장점을 가진다.
각 구성을 이하 자세히 살피면, 본 발명의 실시 예에서, 상기 (a) 단계(S110)의 타이타늄 전구체와 용매는 80℃ 이상 100℃이하에서 교반하여 혼합한다. 용매를 충분히 제거하여야 하므로 80℃ 이상에서 수행되어야 하며, 용매의 끓는점 보다 낮아야 하므로 100℃ 이하에서 수행되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 (a) 단계(S110)의 타이타늄 전구체는, TiO2(anatase), TiO2(P25), Titanium isopropoxide 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 이산화 타이타늄을 합성하는데 통상적으로 사용되는 타이타늄 전구체라면 이에 모두 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 (b) 단계(S120)는 상기 (a) 단계(S110)의 혼합물을 550℃ 이상 650℃이하에서 하소할 수 있다. 타이타늄의 결정 구조가 변화하여야 하므로 550℃ 이상에서 하소를 수행하며, 타이타늄의 특성을 유지하여야 하므로 650℃ 이하에서 하소하는 것이 바람직하다.
구체적으로 550℃ 이상에서 이산화 타이타늄의 결정구조가 아나타제(anatase) 에서 루타일(rutile)로 변해가며, 이때 상기 아나타제(anatese)와 루타일(rutile)은 각기 다른 파장영역에서 광-활성을 보이므로 아나타제(anatase) 구조와 루타일(rutile) 구조의 비율 제어를 통해 목적하는 파장에 대한 광-활성을 조절 할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제조방법에 따라 구현한 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매의 경우 상기 (b) 단계(S120)를 600℃에서 수행하였을 때 가시광 영역에 대하여 가장 우수한 활성을 보였다.
다음으로 본 발명의 실시 예에서, 상기 (ii) 단계(S200)의 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체는 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 혼합될 수 있다. 중량비가 100:1 이상이어야 산화 그래핀이 여기되어 이산화 타이타늄으로 전자를 전달할 수 있으며, 100:10 이하여야 이산화 타이타늄이 CO2 촉매 역할을 할 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 (ii) 단계(S200)는, 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합할 수 있다. 용매를 충분히 제거하여야 하므로 80℃ 이상에서 수행되어야 하며, 용매의 끓는점 보다 낮아야 하므로 100℃ 이하에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 (ii) 단계(S200)의 탄소 전구체는, graphene oxide, graphene, reduced-graphene oxide, carbon nanotube, carbon nano-particles 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 그래핀 산화물을 제조하는데 통상적으로 사용될 수 있는 탄소 기반의 물질이라면 본 발명의 권리범위로 해석되어야 한다.
다음으로 본 발명의 실시 예에서, 상기 (iii) 단계(S300)의 하소는, 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도로 수행될 수 있다. 타이타늄과 그래핀이 접합을 형성하기 위해서는 350℃ 이상이어야 하며, 접합 형성 후 접합이 유지되기 위해서는 450℃ 이하여야 하기 때문이다.
또한 상기 (iii) 단계(S300)의 하소는 1℃/min 이상 3℃/min 미만의 가열 속도로 수행될 수 있다. 하기 살펴볼 실험 결과에 따르면 상기 하소가 수행되는 온도로 가열함에 있어서 온도 상승 속도에 따라 촉매의 효율이 달라짐을 확인하였다.
예를 들어 본 발명의 제조방법에 따라 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 제조함에 있어서, 상기 하소 단계의 가열 속도가 1℃/min 또는 3℃/min으로 조절되어 제조된 경우 가시광 하에서 CO2 변환 효율은 2℃/min으로 조절되어 제조된 경우 보다 낮았으며, 이를 통해 하소 단계의 가열 속도가 촉매의 성능을 결정하는 하나의 중요 변수임을 확인하였다.
구체적으로 타이타늄과 그래핀이 안정적으로 접합을 형성하기 위해서는 1℃/min 이상이어야 하며, 타이타늄 및 그래핀의 특성 및 결정 구조를 유지하여야 하므로 3℃/min 미만이어야 하기 때문이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 설명하기로 한다. 설명에 있어서 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법과 중복된 구성은 동일하게 해석되어야 하며 중복 설명은 생략하기로 한다.
도2는 이산화 타이타늄 및 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매가 이산화탄소를 치환하는 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 도2(a)는 TiO2 촉매 반응의 모식도이며, 도2(b)는 비교를 위해 산화 그래핀이 적용된 TiO2 광촉매의 촉매 반응을 나타낸 모식도이다.
도2를 참조하여 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법에 따라 제조된 광촉매가 이산화탄소 치환 반응의 촉매로 사용되는 경우 메커니즘을 살핀다.
TiO2 광촉매의 이산화탄소 치환 반응은 광원의 조사와 수분(H2O) 주입에 따라 진행된다. 광원이 조사되면 TiO2의 촉매 반응에 의해 CO2는 환원되어 C와 O2로 분리되고, 주입된 H2O는 산화되어 O2와 H로 분리된다. 여기서 분리된 C와 H는 CH4를 형성하고 나머지 원자들은 H2O로 다시 결합된다.
기존 TiO2의 경우 큰 밴드갭으로 인해 에너지가 큰 UV 광원이 조사되어야 촉매 반응이 일어난다. 이때, TiO2에 산화 그래핀이 적용되면 산화 그래핀의 상대적으로 작은 밴드갭으로 인해 가시광, 즉 태양광에도 전자의 여기가 발생하며, TiO2로 전자를 이동시켜주어 촉매 반응이 가능해 진다.
또한 TiO2에 산화 그래핀이 적용되면 순수 TiO2 대비 가시광원에 대한 광촉매 반응성이 개선된다. TiO2에 적용된 산화 그래핀은 우수한 전자 이동도와 높은 표면적을 가지며 특히 산화 그래핀의 에폭사이드(-O-) 및 수산화물(-OH) 작용기가 물 분해 과정에 대한 반응성을 높이기 때문이다. 결과적으로 산화 그래핀에 의해 전자의 흐름이 향상되어 이산화탄소 치환율이 증가된다.
광촉매 반응에 의한 생성물을 살피면, TiO2의 밴드갭 조절에 따라 CO, HCOOH, CH3OH 등으로 치환될 수 있다.
정리하면, 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법에 따라 제조된 광촉매는 TiO2에 산화 그래핀이 적용됨에 따라 고온의 열 또는 자외선과 같이 고-에너지원 없이도 가시광 조건하에서 촉매 반응이 진행될 수 있으며, 촉매 효율 또한 개선된다.
특히 TiO2의 이산화탄소 치환 반응에 대한 우수한 선택성을 고려하여 이산화탄소 치환 반응의 광촉매로 사용하는 경우 기존 TiO2 광촉매 대비 현저하게 우수한 광촉매를 제공할 수 있다.
또한 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매는 본 발명의 실시 예에서 이산화 타이타늄의 이산화탄소 치환 반응에 대한 우수한 선택성을 고려하여 이산화탄소 치환 반응에 대한 광촉매를 제안하였으나, 이에 제한되지 않고 상기 TiO2의 밴드갭 조절을 통해 통상적으로 가용할 수 있는 범위의 촉매 반응에 대한 광촉매로 해석되어야 한다.
예를 들어 상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매는 질소 치환, VOC(Volatile Organic Compounds) 제거 반응의 광촉매로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 그래핀 산화물이 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 포함될 수 있다.
제조예
그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매의 제조
도3 및 도4를 참조하여 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매의 제조방법을 구체적으로 살핀다.
도3은 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법의 모식도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예인 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법에 따라 제조된 (a) 이산화 타이타늄 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매이다.
1) 이산화 타이타늄 준비
타이타늄 전구체인 titanium isopropoxide 10g을 에탄올 용매 30ml에 넣어 혼합하고 150ml의 D.I.(Deionized) water에 투입하여 80℃ 이상 100℃ 이하에서 1시간 동안 교반하여 혼합하고 건조한다.
이후 상기 혼합물을 질소 분위기 및 550℃ 이상 650℃ 이하의 조건에서 하소한다.
후처리로 분쇄를 수행하여 이산화 타이타늄을 수득한다.
2) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조
상기 수득한 이산화 타이타늄 10g과 그래핀 산화물을 0.2g ~2g을 80℃ 이상 100℃ 이하에서 1시간 동안 교반하여 혼합하고 건조한다.
이후 상기 혼합물을 질소 분위기 및 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도 조건에서 하소한다.
후처리로 분쇄를 수행하여 그래핀 산화물과 이산화 타이타늄의 중량비가 1:100 내지 10:100인 광촉매를 수득한다.
실험예1
가시광 하에서 산화 그래핀 유무에 따른 광촉매 성능 비교
1) CO
2
감소량 측정 결과
도5를 참조하여 설명한다.
도5는 (a) 이산화 타이타늄 광촉매 및 (b) 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 대상으로 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
본 측정 실험은 상온 및 가시광 조사 조건에서 수행되었다. 도5(a)와 도5(b)를 비교하면, 순수 TiO2으로 구성된 광촉매는 측정 범위에서 약 6ppm에 해당하는 CO2를 감소시켰으나 본 발명에 따른 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매는 약 31ppm에 해당하는 CO2를 감소시켜 광촉매 성능이 5배 이상 개선됨을 확인할 수 있었다.
상기 결과에 비추어 볼 때 본 발명이 제시하는 간단한 공정 및 제어 조건으로 가시광원에 대한 반응성을 5배 이상으로 크게 개선할 수 있으며, 결과적으로 가시광원에 대한 우수한 활성을 가지는 광촉매를 제공할 수 있음을 확인하였다.
실험예2
하소 단계의 온도 상승 속도에 따른 광촉매 성능 비교
도6을 참조하여 설명한다.
도6은 하소하는 단계에 있어서, 온도 상승 속도를 달리하여 제조한 그래핀 산화물-타이타늄 광촉매의 촉매 특성을 비교하기 위해 가시광원 하에서 CO2 감소량을 측정한 데이터이다.
본 실험은 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매를 제조함에 있어서, 하소 단계의 가열 속도에 따라 광촉매의 성능이 달라짐을 확인하고, 최적의 가열 속도 조건을 도출하고자 수행하였다.
상기 실험 목적을 달성하고자 질소 가스 조건 하에서 가열 속도를 1℃/min, 2℃/min 및 2.9℃/min으로 변경하며 실험을 수행하였다.
도6에 따르면, CO2 감소율이 1℃/min의 가열 속도에서 67ppm, 2℃/min의 가열 속도에서 77ppm, 2.9℃/min의 가열 속도에서 50ppm으로 측정되어 2℃/min에서 가장 우수한 CO2 감소율을 나타내었다.
상기 결과를 통해 하소 단계의 가열 속도에 따라 제조된 광촉매의 성능이 달라지며, 따라서 가열 속도의 최적화가 광촉매 제조에 있어서 중요한 요소임을 확인하였다. 결과적으로 본 발명에 따라 2℃/min의 가열 속도로 하소된 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매가 CO2 감소에 있어서 현저히 우수함을 알 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (10)
- (i) 루타일(Rutile) 결정 구조를 가지는 이산화 타이타늄을 준비하는 단계;
(ii) 상기 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체를 혼합하는 단계; 및
(iii) 상기 (ii) 단계의 혼합물을 하소하는 단계;를 포함하여 수득하는 것을 특징으로 하고,
상기 이산화 타이타늄을 준비하는 단계는, (a) 타이타늄 전구체와 용매를 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계의 혼합물을 550℃ 이상 650℃ 이하에서 하소하는 단계;를 포함하여 루타일(Rutile) 결정 구조를 가지는 이산화 타이타늄을 수득하는 것이고,
상기 (iii) 단계의 하소는, 1℃/min 이상 3℃/min 미만의 속도로 온도를 상승하며 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 타이타늄 전구체는, TiO2(anatase), TiO2(P25), Titanium isopropoxide 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (ii) 단계의 이산화 타이타늄 및 탄소 전구체는, 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (ii) 단계는, 80℃ 이상 100℃ 이하에서 교반하여 혼합하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (ii) 단계의 탄소 전구체는, graphene oxide, graphene, reduced-graphene oxide, carbon nanotube, carbon nano-particles 및 이들의 결합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (iii) 단계의 하소는, 350℃ 이상 450℃ 이하의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매 제조방법. - 삭제
- 제1항에 따라 제조된 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매.
- 제9항에 있어서,
상기 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매는, 그래핀 산화물이 100:1 이상 100:10 이하의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는, 그래핀 산화물-이산화 타이타늄 광촉매.
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| Solvothermal synthesis of anatase TiO2-graphene oxide nanocomposites and their photocatalytic performance, Journal of Alloys and Compounds, (2016) |
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