KR20020082633A - 태양광(또는 가시광선 영역의 광) 활용을 위한 나노크기전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립다양한 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(금, 인듐,주석, 텅스텐, 아연, 바나듐, 세륨, 유로퓸,은/이산화티타니아) 혼합광촉매 제조 조성과 방법 및 적용 - Google Patents
태양광(또는 가시광선 영역의 광) 활용을 위한 나노크기전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립다양한 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(금, 인듐,주석, 텅스텐, 아연, 바나듐, 세륨, 유로퓸,은/이산화티타니아) 혼합광촉매 제조 조성과 방법 및 적용 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이산화티타니아(TiO2)에 다양한 전이금속, 귀금속, 란타나이드계의 금속이온을 도핑시켜 태양광 및 가시광영역에서 광기능 재료로 이용이 가능하게 한 발명이다. 본 발명에 의해 이산화티타니아(TiO2)가 가지는 고유의 띠간격에너지를 평균적으로 낮추어 광화학반응에서의 가시광선 파장영역까지의 광 활용을 증가시켜 상용화되고 있는 가시광 광원은 물론 태양광 활용이 가능케 하기 위한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 다양한 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 혼합광촉매 제조 조성과 방법 및 응용에 관한 것이다.
Description
본 발명은 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광 활용도 가능케 하기 위한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 다양한 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 광촉매 조성과 제조 방법 및 응용에 관한 것으로서 더 상세하게는 이산화티타니아(TiO2)의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 전이, 란타나이드계, 귀금속이온을 도핑시켜 이 금속이온들이 격자내에서 전자 또는 정공의 포획지역(trap site)으로 작용하여 전하쌍 재결합 속도를 지연시키고, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 광범위한 가시광선 파장영역까지의 광 활용을 증가시켜 주는 역할을 하도록 전이, 란타나이드계, 다양한 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 혼합광촉매 제조 방법 및 실용화에 관한 것이다.
일반적으로 광촉매란 용어는 매우 광범위하게 사용되고 있어서 일치된 정의를 찾아보기가 힘들지만 이는 매우 넓은 의미의 정의로서 '광촉매'가 되기 위해서는 일반적으로 '촉매'로서의 조건을 만족시켜야 하고, 반드시 광원을 이용할 때를 지칭하여 사용된다. 다시 말해 광촉매는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야 하며 기존의 광반응과 다른 메카니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속시켜야하는데, 활성가능 지역(active site)당 생성물의 비(이를 turnover비라고 정의한다)가 1.0을 넘어야 한다는 것이다.
광촉매의 경우에는 active site의 수를 정확히 측정하기 어려워 활성가능 지역(active site)당 생성물의 비(이를 turnover비라고 정의한다)의 값을 구할 수 없는데, 하이드록실 음이온(OH- ; 약 1012 ~ 1015/cm2)에서 반응이 일어난다는 가정에서 계산된 대략적인 값은 1.0을 넘는 것으로 발표되었다.
이와 같은 광촉매가 광화학적 활성을 나타내기 위해서는 띠간격에너지(Eg) 이상의 빛에너지가 필요한데, 이 에너지는 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠인 공유띠(valence band, VB)와 전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠인 전도띠(conduction band, CB)의 차이로, 전자가 점유할 수 없는 금지된 간격이며, 공유띠의 전자를 여기시켜 반응에 참여하는 전자/정공쌍을 생성시킬 수 있는 최소의 에너지이다. 이러한 띠간격은 연속적인 에너지 준위를 갖고있어 전자/정공 재결합이 엄청나게 빠른 금속과는 달리 전자/정공의 빠른 재결합을 방지해준다.
광촉매용 물질로는 반도체 성질의 금속산화물들이 주로 사용되는데, 대개는 결정구조의 이산화티타니아(TiO2)가 사용되며 이는 효율이 우수하고, 비교적 저가이며, 공급이 원활하고, 광부식성이 없는 등의 안정성이 확인되었기 때문이다.
그러나 아나타제 구조의 이산화티타니아(TiO2)는 띠간격에너지가 3.2 eV로 광활성을 위하여 약 380나노메터(nm)이하의 단파장의 광에너지를 필요로 하는데, 이는 태양광 스펙트럼의 ~4%정도만이 해당된다. 따라서, TiO2 광화학 반응에는 효율증가를 위하여 UV 광원을 사용하는 것이 보편화되어 있다. 그러나 미래의 대체/청정에너지 사용을 위해서는 태양광과 일반광을 이용하는 것이 필요한데 이는 가시광을 흡수하여 활성을 띰을 의미한다. 이를 위한 촉매 개질 노력이 띠에너지를 낮추어 주는 것이라 하겠다. 또한 낮은 광촉매 효율은 주로 전자/정공의 빠른 재결합과 도핑된 형태에 기인하는 것으로 알려져 있으므로 이에 대한 개질 노력도 필수적인 것이다. 기존의 개발은 Fe, Mo-Ti계가 본 연구진에 의해 알려져 있으나 가시영역은 효과적으로 이용을 못하고 있다[Reference; HWAHAK KONGHAK Vol.38, No.3, pp.343-347 (2000) ; HWAHAK KONGHAK Vol.38, No.4, pp.451-455 (2000) ; 윤우석, 금속이온(Fe3+, Mo5+)이 도핑된 혼합광촉매의 제조와 DCA(dichloroacetic acid) 분해에 관한 연구, 연세대학교 석사 논문, 1999].
본 발명은 상기에 언급된 바와 같이 촉매 개질을 위하여 이루어진 것으로서, 이산화티타니아(TiO2)의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 전이, 란타나이드계, 귀금속이온을 도핑시켜 이 금속이온들이 격자내에서 전자 또는 정공의 포획지역(trap site)으로 작용하여 전하쌍 재결합 속도를 지연시키고, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 태양광의 가시광선 파장영역까지의 광 활용을 증가시켜 주는 역할을 하도록 하는, 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광 활용을 증가시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 이산화티타니아(TiO2)의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 금속이온을 도핑시켜 이 금속이온들이 격자내에서 전자 또는 정공의 포획지역(trap site)으로 작용하여 전하쌍 재결합 속도를 변화시키고, 띠에너지를 낮추어 광화학반응에서의 태양광의 가시광선 영역까지의 광은 물론 상용화되고 있는 광원의 유용성을 증가시켜 주는 역할을 하도록 하는 것과,
다양한 전이, 란타나이드, 귀금속 출발물질 중에서 MxCly(Metal Chloride 계의 전구체 시약)를 낮은 온도의 증류수에 주입하여 교반시킨 후 TiCl4를 혼합하여 금속 산화물/이산화티타니아(M/Ti)의 입자성장을 위해 교반시키면서 반응시키며, 이 콜로이드(colloid)의 이온강도(ionic strength)를 감소시킴으로써 안정성을 증가시키고 분말형성을 용이하게 하기 위하여 Spectra/Por Membrane(MWCO:6-8000)을 사용하여 투석(dialyzing)한 후, 투석(dialyzing)한 용액을 회전식 감압증발기(Rotary evaporator)에 넣은 후 감압증발(evaporation)하며, 용액이 있는 항온조(water bath)의 온도는 콜로이드(colloid)의 온도 상태를 상온으로 유지하면서 고진공을 만들어 주는 것과 제조된 나노메터 크기의 금속이 도핑된 나도입자 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)는 수용액에 풀었을 경우 투명하였으며, 0.51g/l의 농도인 콜로이드 상태로 UV/VIS 흡수파장 및 투과도를 측정하여 가시광선 영역으로의 이동(red-shift)을 확인함과 동시에 자외선(Ultra violet:UV) 차단재로의 가능성을 확인하고, 1∼50몰 % 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 경우에는 500나노메터 이상의 장파에서도 흡수가 일어나는 것으로 확인하는 것으로 구성되어져 태양광 활용을 위한 5∼10 나노메터 이하 크기의 금속이온이 도핑된 나노입자 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(M/TiO2) 혼합광촉매 조성과 제조 방법 및 응용을 제공할 수 있는 것이다.
도핑된 금속의 상태는 극소량( < 2wt% )의 경우 TiO2의 결정격자내에 도입되며, 10% 이상의 경우 입자화되고 환원 분위기에 따라 금속, 금속 산화물, 또는 두물질이 복합체로 존재할 수 있고 이 또한 촉매활성에 영향을 준다.
도 1은 본 발명 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립 다양한 금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 첨가 농도별 UV/VIS 흡수율,
도 2는 본 발명 초미세(약 5-10 나노메터 직경) gold 금속/이산화티타니아(Au/TiO2)의 전자현미경 사진(transmission electron microscope;TEM),
도 3는 본 발명 gold 금속/이산화티타니아(Au/TiO2)의 일반상용 광원을 이용한 VOC(아세트알데히드) 분해 성능 특성
도 4는 본 발명 gold 금속/이산화티타니아(Au/TiO2)의 LED 광원을 이용한 VOC(아세트알데히드) 분해 성능 특성
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 전이, 란타나이드계, 귀금속이 도핑된 초미세 전이, 란타나이드계, 귀금속 또는 이외 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2)의 (In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Au, Ag/TiO2)첨가 농도별 UV/VIS 흡수율,
도 2는 본 발명 초미세(약 5-10 나노메터 직경) gold 금속 산화물/이산화티타니아(Au/TiO2)의 전자현미경 사진(transmission electron microscope;TEM),
도 3는 본 발명 gold 금속 산화물/이산화티타니아(Au/TiO2)의 일반 광원을 이용한 VOC(아세트알데히드) 분해 성능 특성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명 gold 금속/이산화티타니아(Au/TiO2)의 LED 광원을 이용한 VOC(아세트알데히드) 분해 성능 특성을 도시한 것이다.
이산화티타니아(TiO2)의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 전이, 란타나이드계, 귀금속이온을 도핑시켜 이 금속이온들이 격자내에서 전자 또는 정공의 포획지역(trap site)으로 작용하여 전하쌍 재결합 속도를 변화시키고, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광 활용을 증가시켜 주는 역할을 하도록 하는 것과,
다양한 전이, 란타나이드, 귀금속 출발물질 중에서 MxCly(Metal Chloride 계의 전구체 시약)를 낮은 온도의 증류수에 주입하여 교반시킨 후 TiCl4를 혼합하여 금속 산화물/이산화티타니아(M/Ti)의 입자성장을 위해 교반시키면서 반응시키며, 이 콜로이드(colloid)의 이온강도(ionic strength)를 감소시킴으로써 안정성을 증가시키고 분말형성을 용이하게 하기 위하여 Spectra/Por Membrane(MWCO:6-8000)을 사용하여 투석(dialyzing)한 후, 투석(dialyzing)한 용액을 회전식 감압증발기(Rotary evaporator)에 넣은 후 감압증발(evaporation)하며, 용액이 있는 항온조(water bath)의 온도는 콜로이드(colloid)의 온도 상태를 상온으로 유지하면서 고진공을 만들어 주는 것과 제조된 나노메터 크기의 금속이 도핑된 나도입자 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)는 수용액에 풀었을 경우 투명하였으며, 0.51g/l의 농도인 콜로이드 상태로 UV/VIS 흡수파장 및 투과도를 측정하여 가시광선 영역으로의 이동(red-shift)을 확인함과 동시에 자외선(Ultra violet:UV) 차단재로의 가능성을 확인하고, 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 경우에는 500나노메터 이상의 장파에서도 흡수가 일어나는 것으로 확인하는 것으로 구성되어진 것이다.
본 발명의 작용은 다음과 같다.
전이, 란타나이드계, 귀금속이온의 도핑 방법은 이산화티타니아의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 금속이온을 도핑시켜 이 금속이온들이 격자내에서 전자 또는 정공의 포획지역(trap site)으로 작용하여 전하쌍 재결합 속도를 변화시키고, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광의 가시광선 영역까지의 활용을 증가시켜 주는 역할을 하도록 하였는데,이론대로 이 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 혼합광촉매는 도 1에 도시한 바와 같이 띠간격에너지를 낮추는 데에 만족할 결과를 얻었다.
도 2에 도시한 바와 같이 얻어진 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 전자현미경 사진(transmission electron microscope;TEM) 분석으로 입자크기가 각각 약 5∼10 나노메터 이하임을 관찰하였다. 도 3에 도시한 바와 같이 상용화되고 있는 형광등을 이용해 얻어진 금속/이산화티타니아(M/TiO2)의 응용 가능성을 관찰하였다.
본 발명에서 다양한 전이, 란타나이드, 귀금속 출발물질 중에서 MxCly(Metal Chloride 계의 전구체 시약)를 낮은 온도의 증류수에 주입하여 교반시킨 후 TiCl4를 혼합하여 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 입자성장을 위해 교반시키면서 반응시키며, 이 콜로이드(colloid)의 이온강도(ionic strength)를 감소시킴으로써 안정성을 증가시키고 분말형성을 용이하게 하기 위하여 Spectra/Por Membrane(MWCO:6-8000)을 사용하여 투석(dialyzing)한 후, 투석(dialyzing)한 용액을 회전식 감압증발기(Rotary evaporator)에 넣은 후 감압증발(evaporation)하며, 용액이 있는 항온조(water bath)의 온도는 콜로이드(colloid)의 온도 상태를 상온으로 유지하면서 고진공을 만들어 주는 것과 제조된 나노메터 크기의 금속이 도핑된 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)는 수용액에 풀었을 경우 투명하였으며, 0.51g/l의 농도인 콜로이드 상태로 UV/VIS 흡수파장 및 투과도를 측정하여 가시광선 영역으로의 이동(red-shift)을 확인함과 동시에 자외선(Ultra violet:UV) 차단재로의 가능성을 확인하고, 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 경우에는 500나노메터 이상의 장파에서도 흡수가 일어나는 것으로 확인되었다.
그러므로 본 발명은 이산화티타니아(TiO2)의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 전이, 란타나이드계, 귀금속이온을 도핑시켜, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광의 가시광선 영역까지 활용을 증가시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (7)
- 이산화티타니아의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 금속이온을 도핑시켜, 띠간격에너지를 낮추어 광화학반응에서의 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광의 가시광선 영역까지 활용을 증가시켜 주는 역할을 하도록 하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 상용화되고 있는 광원은 물론 태양과의 가시광선 영역까지 활용을 위한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 혼합광촉매 조성
- 다양한 전이, 란타나이드, 귀금속 출발물질 중에서 MxCly(Metal Chloride 계의 전구체 시약)를 용액을 낮은 온도의 증류수에 주입하여 교반시킨 후 TiCl4를 혼합하여 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 입자성장을 위해 교반시키면서 반응시키며, 이 콜로이드(colloid)의 이온강도(ionic strength)를 감소시킴으로써 안정성을 증가시키고 분말형성을 용이하게 하기 위하여 Spectra/Por Membrane(MWCO:6-8000)을 사용하여 투석(dialyzing)한 후, 투석(dialyzing)한 용액을 회전식 감압증발기(Rotary evaporator)에 넣은 후 감압증발(evaporation)하며, 용액이 있는 항온조(water bath)의 온도는 콜로이드(colloid)의 온도 상태를 상온으로 유지하면서 고진공을 만들어 주는 것과 제조된 나노메터 크기의 금속이 도핑된 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)는 수용액에 풀었을 경우 투명하였으며, 0.51g/l의 농도인 콜로이드 상태로 UV/VIS 흡수파장 및 투과도를 측정하여 가시광선 영역으로의 이동(red-shift)을 확인함과 동시에 자외선(Ultra violet:UV) 차단재로의 가능성을 확인하고, 10몰 % 금속 산화물/이산화티타니아(M/TiO2)의 경우에는 500나노메터 이상의 장파에서도 흡수가 일어나는 것으로 확인하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 상용화되고 있는 광원은 물론 태양광의 가시광선 영역까지 활용을 위한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 나노입자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아(Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 광촉매 제조 방법.
- 이산화티타니아의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 금속이온을 도핑시켜, 띠간격에너지를 낮춤에 의해 상용화되고 있는 일반 광원 및 형광등에 의한 광화학반응에서의 활용이 가능한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 광촉매의 조성[ M/TiO2 ; M =0.5 ∼ 50mol% ].
- 이산화티타니아의 띠간격에너지를 낮추어 광흡수 재료로의 활용을 위해 제조된 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 광촉매를 이용한 자외선(Ultra violet:UV) 차단재로의 적용.
- 이산화티타니아의 띠간격에너지를 낮추어 광흡수 재료로의 활용을 위해 제조된 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2)와 Film 코팅을 위해 제조된 유기 바인더를 혼합한 졸의 제조 및 적용
- 이산화티타니아의 띠간격에너지를 낮추어 광흡수 재료로의 활용을 위해 제조된 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 담지된 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 와 실리카, 제올라이트, 지르코니아, 알루미나, 활성탄소섬유(SiO2, Zeolite, ZrO2, Al2O3, Active carbon fiber)담체에 담지시킨 복합 광촉매 제조 및 적용
- 이산화티타니아의 에너지 띠간격 사이에 산화 환원 전위를 갖는 금속이온을 도핑시켜, 띠간격에너지를 낮춤에 의해 LED에 의한 광화학반응에서의 활용이 가능한 전이, 란타나이드계, 귀금속이온이 도핑된 초미세립자 전이, 란타나이드계, 귀금속 산화물/이산화티타니아((Au, In, Sn, W, Zn, V, Ce, Eu, Ag/TiO2) 광촉매의 조성[ M/TiO2 ; M =0.5 ∼ 50mol% ].
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- 2001-04-25 KR KR1020010022314A patent/KR20020082633A/ko not_active Application Discontinuation
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