KR20000063580A - 박막용 산화티탄 광촉매의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막용 산화티탄 광촉매의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 티타늄 알콕사이드와 질산, 무수에탄올 등을 이용하여 광촉매 미립자를 제조한 후 이를 수산화칼륨 또는 수산화나트륨, 무수에탄올 등에 용해하여 용액상태의 박막용 산화티탄 광촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의해 제조된 산화티탄 광촉매는 저온 열처리에 의해서도 광촉매 활성이 높으므로 유리, 금속, 다공성 무기물질, 섬유 등에 도포하면 유해한 유기 화학물질의 분해, 대기 정화 작용, 항균·멸균 작용 등의 광촉매 효과를 얻을 수 있어 생활 환경 정화에 크게 기여할 수 있다.

Description

박막용 산화티탄 광촉매의 제조 방법{Preparation of Titanium Dioxide Photocatalyst for Thin Coating}

본 발명은 산화티탄 광촉매를 여러 가지 재질의 지지체에 고정화시킴으로써 광촉매가 갖는 환경 정화 효과를 생활 환경에 다양하게 적용할 수 있는 광촉매 제조 방법을 제공하는 것이다.

광촉매는 촉매에 쪼여진 빛 에너지에 의해 활성이 높은 물질을 생성하여 화학반응을 촉진시키는 물질로서, 대표적인 물질로 산화티탄(TiO₂)을 들 수 있다. 광촉매에 밴드갭(band gap) 에너지 이상의 빛을 쪼여주면 전자와 정공이 생성되고, 이들에 의해 강한 산화-환원 반응이 진행된다. 산화-환원 과정에서 유기 화학물질이나 염소계 화학물질이 분해되고, 암모니아나 황화수소 등의 악취가스가 분해 제거된다. 이러한 산화-환원 기능에 의해 광촉매를 이용하면 대장균, 황색 포도상구균 등의 세균도 제거하는 살균과 멸균 효과도 기대할 수 있다.

종래의 산화 티탄 광촉매는 분말 형태로 제조되어 이를 정화하고자 하는 폐수에 현탁하여 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 광촉매를 지지체에 고정시키지 못하므로, 폐수를 정화한 후에도 광촉매를 분리 수거할 수가 없어 폐수 처리 후 2차적으로 잔류물을 처리하여야 하는 문제점이 있다. 또한 사용한 광촉매를 회수하여 재 사용할 수가 없어 광촉매의 사용량이 늘게 되므로 경제적인 손실도 매우 크다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광촉매 졸을 제조하여 이를 지지체에 도포하여 사용하는 방법이 개발되었다. 이는 티타늄 알콕사이드를 에탄올 등과 혼합하여 졸-겔법으로 광촉매 졸(sol)을 제조한 후 이를 지지체에 코팅하여 지지체와 함께 600 ℃ 정도의 온도에서 소성하는 방법이다. 이 방법에 의하면 비교적 균일하게 코팅된 산화티탄 박막 광촉매를 얻을 수 있으나, 600 ℃로 소성하여야만 아나타제(anatase) 형태의 산화티탄 광촉매 박막이 형성되므로 높은 소성 온도 때문에 지지체의 선정에 제약을 받는다. 즉 유리나 금속, 광석류 등의 무기 물질은 고온에서도 충분히 견딜 수 있는 재질이기 때문에 지지체로 사용하기에는 용이하나 섬유, 플라스틱, 종이 등 고온에서 재질이 변형되는 지지체에는 이 방법은 적용할 수 없다.

앞에서 기술한대로 광촉매는 그 기능에 의해 대기나 수질을 정화하는 능력이 뛰어나기 때문에 고온에서 열처리가 가능한 유리나 광석류외에 생활에서 많이 사용하는 플라스틱, 섬유, 종이 등에 적용하였을 때 생활 환경 정화에 매우 효과가 높다. 그러나 이러한 지지체들은 고온에서 견디지 못하므로 저온에서 간단히 열처리하여도 광촉매의 기능을 발휘할 수 있는 광촉매 제조 기술이 필요하다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 저온에서 간단한 건조만으로도 지지체에 산화티탄 광촉매를 박막으로 도포할 수 있는 광촉매 제조 기술과 그 적용 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 먼저, 티타늄 알콕사이드를 질산용액에 혼합하여 에탄올에 용해시킨 후 이를 가열 건조하여 미립자 산화티탄 광촉매를 만든다. 미립자 산화티탄 광촉매를 다시 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 무수에탄올에 혼합하여 용해시키는 방법으로 광촉매 졸(sol)을 제조한다. 이 광촉매 졸을 사용하여 딥코팅(dip-coating)이나 스프레이법 등으로 박막 코팅한 후 60∼600 ℃의 온도 범위에서 열처리하면 균일한 산화티탄 박막 광촉매를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 박막 코팅 후 저온에서 열처리하여도 산화티탄 박막 광촉매를 얻을 수 있으므로 유리, 금속, 광석류 등의 무기물 외에도 섬유, 플라스틱, 종이 등 다양한 재질에도 광촉매를 코팅할 수 있는 것을 특징으로 한다

(실시예1)

질산 0.5 mol을 플라스크에 옮겨 담은 후 교반하면서 무수에탄올 1 L를 가한다. 약 20분 동안 이 용액을 교반시키며 혼합시킨 후 1.2 mol의 티타늄 부톡사이드(Titanium butoxide)를 천천히 가하면서 1시간 동안 교반시킨다. 이 용액을 소성로에 옮겨 5 ℃/분의 승온속도로 가열하며 500 ℃에서 5시간 동안 유지한 후 서서히 냉각시키면 미립자 산화티탄 광촉매가 얻어진다. 이 미립자 광촉매의 입자 크기는 평균 300 nm로서 미세한 분말 형태이다. 이 미립자 광촉매를 5 g 채취하여 0.5 mol의 KOH와 함께 무수에탄올 1 L에 부어 넣은 후 50 ℃에서 2시간 동안 교반시켜 광촉매 졸(sol)을 제조하였다.

평균 입자 크기가 0.2 mm인 유리비드를 이 광촉매 졸에 담그어 코팅한 후 550 ℃에서 1시간 동안 소성하였다. 광촉매 졸에 코팅하여 소성하는 과정을 5회 실시한 후 X-ray 회절 피크를 조사한 결과 유리비드에 코팅된 산화 티탄은 아나타제(anatase)형으로 확인되었다. 전자 현미경 사진으로부터 확인한 광촉매 박막의 두께는 약 3.2 μm였으며, 유리 표면에 코팅된 박막은 매우 견고하였다.

악취 물질인 트리메틸아민(tri-Methylamine)을 농도가 80 ppm인 수용액으로 만들어 이 용액 50 ml에 산화티탄 박막 광촉매가 코팅된 유리비드 2 g을 담근 후 20 cm 위에서 20 W 블랙 라이트(black light)를 비추었다. 트리메틸아민의 농도는 광반응이 시작된 1시간 후 GC로 분석한 결과 5 ppm으로 감소되었다.

(실시예2)

무수에탄올 1 L에 질산 0.5 mol을 혼합한 후 티타늄 프로폭사이드(Titanium

propoxidde) 1.2 mol을 천천히 가한 후 1시간 동안 교반시킨다. 이 용액을 소성로에 옮겨 5∼10 ℃/분의 승온속도로 승온 시키며 가열한 후 600 ℃에서 5시간 동안 유지한 후 서서히 냉각시키면 미립자 산화티탄 광촉매가 얻어진다. 이 미립자 산화티탄 광촉매 5 g을 0.25 mol의 NaOH와 함께 무수에탄올 1 L에 넣은 후 50 ℃에서 2시간 동안 교반시켜 광촉매 졸(sol)을 제조하였다.

크기가 10x10 cm인 섬유(폴리에스테르 70%, 울 30%) 시편을 위 방법으로 제조한 광촉매 졸에 담그어 코팅한 후 실온에서 3시간 건조시킨 후 오븐에서 80 ℃로 3시간 동안 건조하였다. 이 과정을 3회 반복 실행한 후 X-ray 회절 피크를 조사한 결과 섬유에 도포된 산화티탄은 아나타제가 75%, 무정형이 25%으로 분포되어 있었다.

이 섬유를 이용하여 정수 과정에서 약품 처리 후 발생하기 쉬우며 발암물질의 일종인 트리클로로에틸렌(tri-Chloroethylene) 수용액(200 ppm) 100 ml에 광촉매가 도포된 섬유 시편을 담근 후 100 W 고압 수은 램프로 조사하였다. 1시간이 경과한 후 용액중 트리클로로에틸렌의 농도를 GC로 분석한 결과 트리클로로에틸렌은 99% 분해 제거되었다.

(실시예3)

실시예 2에서 설명한 방법으로 광촉매 졸을 제조한 후 종이 필터를 담그어 도포한 후 이를 80 ℃에서 2시간 동안 건조시킨 후 이를 포름알데히드의 기상 분해 반응에 적용하였다.

공간 용적이 2 L이며 20 W 블랙라이트를 설치된 폐쇄 용기 내부에 광촉매가 도포된 종이 필터(10x10 cm)를 넣고, 이 용기의 내부에 포름알데히드를 100 ppm 농도로 기화시킨 후 빛을 쪼여주며 광반응을 시작하였다. 광반응 장치와 온라인으로 연결된 GC를 사용하여 반응기 중의 기체 농도를 측정한 결과, 광반응이 시작된 지 30분만에 포름알데히드의 농도가 초기의 30% 정도 감소되었고 150분이 경과하면 포름알데히드는 95% 가량 분해 제거되었다. 이 때 생성된 물질은 CO₂와 H₂O였다.

상기와 같이 본 발명에서 제안한 방법으로 산화티탄 광촉매를 제조하면 다양한 재료에 광촉매를 도포할 수 있으며 도포된 산화티탄 광촉매도 아나타제형이 대부분이어서 광활성도 매우 높다. 이 방법으로 산화티탄 광촉매가 도포된 지지체는 환경 유해물질인 악취가스나 발암 유기물질의 분해에 효과적이어서 환경 정화에 크게 기여할 수 있다. 또한 도포된 산화티탄 광촉매의 내구성도 높아 지속적인 사용이 가능하다.

Claims (2)

1. 티타늄 알콕사이드를 질산용액에 혼합하여 에탄올에 용해시킨 후 이를 가열 건조하여 미립자 산화티탄 광촉매를 만든 후, 이를 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 무수에탄올에 혼합하여 용해시키는 방법을 특징으로 하는 광촉매 졸 제조 방법.
2. 1항의 광촉매 졸을 사용하여 유리, 금속, 섬유, 종이 등 다양한 재질에 딥코팅(dip-coating)이나 스프레이 법 등으로 박막 코팅한 후 50∼700 ℃의 온도 범위에서 1∼20 ℃의 승온 속도로 가열하여 산화티탄 광촉매 박막을 만드는 것을 특징으로 하는 광촉매 제조 방법.