KR20010096626A

KR20010096626A - 상온코팅용 이산화티타늄 졸 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR20010096626A
Application number: KR1020010012123A
Authority: KR
Inventors: 김현용; 양진섭; 민진홍
Original assignee: 김현용; (주)이앤비코리아
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2001-11-08
Also published as: KR100354817B1

Abstract

본 발명은 아나타제의 결정을 갖고 있어 상온에서 코팅하여 사용하여도 광촉매 반응에 의해 환경 오염물질을 정화할 수 있는 이산화티타늄 졸의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 비정질의 이산화티타늄 졸을 지지체에 코팅한 후 아나타제 결정을 생성하기 위해 이산화티타늄이 코팅된 지지체를 열처리를 해야하는 문제점을 해결코자 아나타제 결정의 이산화티타늄 졸을 제조함으로서 플라스틱, 목재 등의 열처리가 불가능한 담체와 큰 부피의 열처리가 용이하지 않는 구조물에도 이산화티타늄을 코팅하여 광촉매 반응을 유발할 수 있도록 함으로서 광촉매를 코팅할 지지체의 제한 요인을 해결한 이산화티타늄 졸 제조 방법 및 제조장치에 관한 것이다

Description

상온코팅용 이산화티타늄 졸 제조방법 및 제조장치 {TiO2 sol manufacturing method and device for normal temperature coating}

본 발명은 종래의 환경 오염 저감을 위하여 사용되어지고 있는 이산화티타늄의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 방오, 항균, 탈취 등의 용도로 사용되어 짐과 동시에 벤젠, 페놀, TCE 등과 같은 난분해성 유기독성물질을 산화하여 분해시키는 목적으로 이용되고 있는 이산화티타늄을 지지체에 코팅한 후 열처리 과정을 거치지 않고도 직접 이용하게 할 수 있는 상온코팅용 이산화티타늄 졸의 제조에 관한 것이다.

광촉매는 빛을 흡수할 경우 촉매 작용을 나타내는 물질로써 광촉매 반응은 빛에너지를 화학에너지로 전환시켜 화학반응에 이용한 것으로 알려져 있다.

광촉매 반응을 유발하기 위해서는 광촉매의 원자가 띠와 전도 띠의 띠 간격 이상의 빛 에너지가 필요하며, 해당 띠간격 보다 큰 에너지가 조사되면 원자가 띠(Valence Band)에서 전도 띠(Conduction Band)로 전자가 여기된다. 이 전자( e- )는 원하는 화학반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가지고 있으므로 흡착물질로 이동하여 반응물을 환원(Aads+e- → (Aads)-) 시킬 수 있고 원자가 띠에서 전자가 빠져나가면서 발생한 공간을 정공( h+ )이라 하는데 정공은 반응물을 산화(Bads+h* → (Bads)+) 시키게 된다.

앞에서 기술한 바와 같이 광촉매 반응을 발생시키기 위해서는 반응물의 원자가 띠와 전도 띠의 띠 간격 이상의 에너지를 가해주어야 하고 이를 위해서 그에 해당하는 파장을 가지는 빛을 가해주어야 한다. 그러나 광촉매 반응을 위해서는 이것 이외에도 광촉매 물질의 원자가 띠와 전도 띠의 위치가 적당하여야만 광촉매 반응이 발생되며, 각 물질들의 원자가 띠와 전도 띠의 띠 간격과 그 위치에 따라 광촉매는 4가지 형태로 나누어 질 수 있다.

OR type :수소와 산소를 방출하기에 충분한 산화, 환원력을 가지고 있는 경우

R type : 수소를 방출하기에 충분한 환원력만을 가지고 산화력이 약한 경우

O type : 산소를 방출하기에 충분한 산화력만을 가지고 환원력이 약한 경우

X type : 전도대와 원자가대가 H+/H2와 O2/H2O 전위 사이에 위치하여 산화력,환원력이 모두 약한 경우이다.

만약 정화코자 하는 대상물질을 환원시키고자 하는 경우에는 촉매의 전도 띠의 위치가 대상물질의 환원 전위 보다 높아야하며, 이러한 충분한 환원력을 가진 촉매를 R type이라 하고, 대상물질을 산화시키고자 하는 경우에는 촉매의 원자가 띠의 위치가 대상물질의 산화 전위보다 낮아야 하며, 이러한 촉매를 O type이라고 한다. 또한 이 두가지를 모두 만족하는 촉매를 OR type이라 하며, 이 두가지를 모두 만족시키지 못하는 촉매를 x type라 한다. R type의 촉매로는 CdTe, CdSe, Si 등이 있고, O type의 촉매로는 WO3, Fe2O, MoS2 등이 있다. 그리고 이러한 산화·환원 반응을 모두 만족시키는 OR type의 촉매로는 페롭스카이트 구조를 가지는 SrTiO3와 TiO2, CdS 등이 있다.

이렇듯 광촉매 반응을 위해서는 위와 같은 조건과 더불어 광학적으로 안정하고 활성이 우수하여야 하며 이러한 조건들을 충족하는 대표적인 물질이 이산화티타늄으로서 현재 많은 연구가 이루어지고 있다.

그러나 기존의 졸-겔법으로 제조한 이산화티타늄 졸(sol)은 비정질 구조의 이산화티타늄으로서 열처리 과정을 거쳐야만 아나타제 결정으로 변환됨에 따라 열처리 과정을 하기 쉬운 유리, 금속, 세라믹류의 지지체에는 이러한 졸-겔법으로도 가능하나 열처리를 하기 어려운 목재, 종이, 플라스틱류 그리고 금속이라도 그 크기로 인하여 열처리를 하기 어려운 물질의 경우에는 이러한 비정질의 이산화티타늄 졸을 사용하지 못하고 있는 실정이다.

또한 아나타제 결정을 갖고 있는 이산화티타늄 분말을 사용할 경우 미세한 분말의 회수에 많은 어려움이 수반되며, 아나타제 결정의 이산화티타늄 분말을 지지체에 코팅하여 사용할 경우에도 그 코팅막의 박리가 쉽게 발생함으로서 그 이용에 많은 어려움을 앉고 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 비정질 구조의 이산화티타늄 졸을 이용할 경우의 열처리를 수반해야 하는 문제점과 아나타제 결정의 이산화티타늄 분말을 이용하여 지지체에 코팅하여 사용할 경우의 지지체와 이산화티타늄 분말간의 박리 현상 등의 문제점을 해결하고자 아나타제 결정의 이산화티타늄 졸을 제조함으로서 열처리과정 없이 자연건조만으로도 광촉매 반응을 유발할 수 있는 상온코팅용 이산화티타늄 졸의 제조방법과 그 제조장치를 제공하였다.

제 1도는 본 발명에 따른 고압 반응 용기와 온도 조절 장치의 단면도

제 2도는 본 발명에 따른 실시 예인 이산화티타늄의 XRD 분석 결과

※ 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 고압반응용기 11: 상부조립판

20: 교반기 21: 마그네틱바

30: 밴드히터 40: 압력게이지

41: 압력변 50: 열전도대

60: 온도조절장치

본 발명은 상온 코팅용 이산화티타늄 졸을 제조하는 것으로 그 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

상온 코팅용 이산화티타늄 졸을 제조하기 위하여 먼저 비이커에 티타늄알콕사이드(Ti-Alkoxide, Ti(OCnH2n+1)4)와 알콜(Alcohol, CnH2n+1OH)을 몰(mole)비로 1:5 이상의 비율로 혼합한다. 이 혼합 용액에 화학적 첨가제로 아세틸아세톤(Acetylacetone , CH3COCH2COCH3)을 티타늄알콕사이드에 대하여 몰비로 1:0.5 이상의 비율로 첨가한다. 이 혼합 용액을 잘 교반하면서 물을 티타늄알콕사이드에 대하여 몰비로 1:4∼1:10의 비율로 1hr동안 주가한 후 광촉매 반응에 이용되는 광원을 자외선과 더불어 가시광선 영역으로 확장하기 위하여 백금(Pt), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 루데늄(Ru), 몰리브듐(Mo), 비스무스(Bi), 니오븀(Nb), 코발트(Co), 니켈(Ni), 바나듐(V) 등의 전이금속을 이산화티타늄의 질량에 대하여 1%∼30% 정도 첨가하였다.

이렇게 제조한 이산화티타늄 졸을 고압 반응용기 장치(도 1)에 넣고 온도를 올리면서 압력을 상승시켜 비정질 구조를 가진 이산화티타늄 졸을 아나타제(Anatase)구조를 가지는 상온코팅용 이산화티타늄 졸을 제조하였으며, 도 2의 실시 예와 같이 온도와 압력에 따른 이산화티타늄 졸의 구조 변화를 XRD 분석을 통하여 아나타제(Anatase)구조를 가지는 2Theta 값이 약 25도에서의 이산화티타늄을 확인하였다.

XRD 분석결과의 실시 예 a)의 100℃, 3atm에서 아나타제(Anatase)구조가 나타나기 시작하였으나 비정질 구조에 가까웠고 실시 예의 b), c) 등과 같이 온도와 압력이 상승함에 따라 아나타제 결정을 나타내는 XRD 피크가 점차 증가하였다. 그리고 실시 예의 d)에서 보는 바와 같이 170℃, 19atm에서 완전한 아나타제(Anatase)구조를 가지는 이산화티타늄이 나타나기 시작하였으며, 실시 예의 e)의 200℃일 경우와 비교하여도 피크의 차이는 보이지 않았다. 따라서 170℃, 19atm 이상일 때 아나타제 결정의 이산화티타늄 졸이 만들어지는 것을 확인 할 수 있었다.

이러한 상온코팅용 졸을 제조하기 위한 장치는 고압반응용기(10)의 측면에 니크롬선이 있는 밴드히터(30)를 설치하여 가온하거나 교반장치(20)를 이용하여 하부에서 가온하였으며, 반응 용액의 고른 혼합을 위해 고압반응용기 하부에 마그네틱바(21)를 위치시키고 교반기(20)를 이용하여 교반을 하였으며, 상부조립판(11)에는 열전도대(50)를 온도조절장치(60)와 연결하여 온도를 조절하고 상부에 압력 게이지(40)와 압력변(41)을 장치하여 압력의 변화에 따라 일정 압력 이상에서는 압력이 도출되도록 하였다.

본 발명은 아나타제 결정을 갖고 있어 상온에서 코팅하여 사용하여도 광촉매 반응에 의해 환경오염물질을 정화할 수 있는 상온 코팅용 이산화티타늄 졸의 제조방법과 제조장치를 제공함으로서 비정질의 이산화티타늄 졸을 지지체에 코팅한 후 아나타제 결정을 생성하기 위하여 이산화티타늄이 코팅된 지지체를 열처리 해야하는 문제점을 해결함으로서 다양한 종류 및 형태의 담체에 이산화티타늄을 자유롭게 코팅하여 사용할 수 있도록 함으로서 환경 오염물질 정화를 위한 이산화티타늄 졸의 적용시 담체의 선택과 그 사용을 간편하도록 하였다.

Claims

티타늄알콕사이드 : 아세틸아세톤 : 알콜 : 물 등의 몰비가 각각 1 : 0.5이상 : 5이상 : 4이상으로 하여 비정질의 이산화티타늄 졸을 제조한 후 170℃ 이상의 온도 또는 19atm 이상의 압력을 가하여 아나타제 결정의 이산화티타늄 졸로 이산화티타늄의 결정구조를 변환하는 방법
상기 1항의 비정질 이산화티타늄 졸 제조 과정에서 백금(Pt), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 루데늄(Ru), 몰리브듐(Mo), 비스무스(Bi), 니오븀(Nb), 코발트(Co), 니켈(Ni), 바나듐(V) 등의 전이금속의 전부 또는 일부를 이산화티타늄의 질량에 대하여 1%∼30% 정도 첨가하여 광촉매 반응에 이용되는 광원을 가시광선 영역으로 확장하는 방법
고압반응용기의 일측에 밴드히터 또는 교반장치를 설치하여 가온하며, 그 측면에 온도조절장치 또는 압력변을 설치하여 온도와 압력을 조절함으로서 비정질의 이산화티타늄 졸을 아나타제 결정을 가지는 이산화티타늄 졸을 제조하는 장치