KR20060112858A - Process for preparing titanate and titanium oxynitride - Google Patents

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Abstract

Provided are a method for mass-preparing a titanate of nano structure having high specific surface area and easily controlled nano-form, with low cost and high efficiency, and a method for preparing a titanium oxynitride having high specific surface area which exhibits high optical activity at region of visible rays by using the titanate. The method for preparing a titanate comprises hydrothermally synthesizing a mixture solution formed by mixing titanium precursor and ammonia water with solvent. The titanium precursor is at least one selected from the group consisting of titanium oxysulfate, titanium sulfate, titanium alkoxide, and titanium halide. Amount of the ammonia water is 2-25 mol based on 1 mol of the titanium precursor. The solvent is a distilled water, an alcohol, or mixture thereof. Amount of the solvent is 50-500 mol based on 1 mol of the titanium precursor. The reaction temperature and time of the hydrothermal synthesis are 80-200 deg.C and 0.1-10 hours, respectively. The method for preparing the titanium oxynitride comprises firing the titanate prepared by the method.

Description

티탄산염 및 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법{Process for preparing titanate and titanium oxynitride }Process for preparing titanate and titanium oxynitride

도 1a는 본 발명의 실시예 2에 따른 나노구조의 티타네이트의 TEM 사진을 나타낸다.Figure 1a shows a TEM picture of the nanostructured titanate according to Example 2 of the present invention.

도 1b는 본 발명의 실시예 3에 따른 나노구조의 티타네이트의 SAED 패턴을 나타낸다.Figure 1b shows a SAED pattern of the nanostructured titanate according to Example 3 of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 4에 따른 나노구조의 티타늄 옥시나이트라이드의 TEM 사진을 나타낸다.Figure 2 shows a TEM image of titanium oxynitride nanostructures according to Example 4 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 3 및 4에 따른 나노구조의 티타네이트 및 티타늄 옥시나이트라이드의 질소 1s 영역에서의 XPS 분석 스펙트럼을 나타낸다.Figure 3 shows the XPS analysis spectrum in the nitrogen 1s region of the nanostructured titanate and titanium oxynitride according to Examples 3 and 4 of the present invention.

도 4a는 본 발명의 실시예 5에 따른 나노구조의 티타늄 산화물의 TEM 사진을 나타낸다.Figure 4a shows a TEM picture of the nanostructured titanium oxide according to Example 5 of the present invention.

도 4b는 본 발명의 실시예 6에 따른 나노구조의 티타늄 산화물의 SAED 패턴을 나타낸다.Figure 4b shows a SAED pattern of the titanium oxide of the nanostructures according to Example 6 of the present invention.

도5는 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따른 나노구조 산화물들의 XRD 패턴을 나타낸다.5 shows XRD patterns of nanostructure oxides according to Examples 1 to 6 of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예 8에 따른 나노구조의 티타네이트 및 티타늄 옥시나 이트라이드의 UV/가시광선-diffusive reflectance 스펙트럼을 나타낸다.6 shows UV / visible-diffusive reflectance spectra of nanostructured titanates and titanium oxynitrides according to Example 8 of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예 8, 비교예 1 및 2에 따른 나노구조의 티타네이트 및 티타늄 옥시나이트라이드의 가시광 영역에서의 이소프로필 알콜의 광분해 활성을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing photodegradation activity of isopropyl alcohol in the visible region of titanate and titanium oxynitride having nanostructures according to Example 8 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.

본 발명은 티탄산염 및 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 높은 비표면적을 가지는 나노구조의 티타네이트 및 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing titanate and titanium oxynitride, and more particularly, to a method for producing nanostructured titanate and titanium oxynitride having a high specific surface area.

일반적으로 티타늄 산화물은 많은 산업공정에 있어서 중요한 촉매 및 지지체일 뿐만 아니라, 태양전지 소재, 수소 제조, 습도 센서, 자기 세척(self-cleaning), 환경 오염 물질 정화, 살균 등의 많은 응용분야를 가지는 산화물이다. 특히 티타늄 산화물 중 부분적으로 질화(nitridation)된 티타늄 옥시나이트라이드(TiO2-xNx)는 가시광 영역에서 가시광을 흡수하여 유기물을 분해하는 광촉매 특성을 나타낸다. In general, titanium oxide is not only an important catalyst and support for many industrial processes, but also has many applications such as solar cell materials, hydrogen production, humidity sensors, self-cleaning, environmental pollutant purification, and sterilization. to be. In particular, titanium oxynitride (TiO 2 -xN x ) partially nitrided in titanium oxide exhibits photocatalytic properties of absorbing visible light in the visible region to decompose organic materials.

이러한 여러 분야들에 있어서 상기 티타늄 산화물의 크기, 형상 및 구조의 제어는 매우 중요한 요소로서 작용하게 된다. 종래 나노구조의 티타늄 산화물은 구조 유도체로서 알루미늄 멤브레인(Anodic Aluminum Membrane, AAO) 또는 유기겔 (organo-gel) 등을 사용하여 제조하였다. 그러나 이러한 제조방법은 구조 유도체를 사용해야 하므로 생산 비용의 증가 및 대량 생산에 있어 문제점을 가지고 있으며, AAO방법의 경우는 나노 구조의 크기 제어가 알루미늄 멤브레인 크기에 좌우되어 나노 크기의 구조 제어가 어렵다는 문제가 있다.In these various fields, the control of the size, shape and structure of the titanium oxide is very important. Conventional nanostructured titanium oxide was prepared using an aluminum membrane (Anodic Aluminum Membrane, AAO) or an organic gel (organo-gel) as a structural derivative. However, such a manufacturing method has problems in increasing production cost and mass production since it is necessary to use a structural derivative. In the case of the AAO method, it is difficult to control the structure of the nano size because the control of the size of the nano structure depends on the size of the aluminum membrane. have.

최근 결정성 티타늄 산화물을 고농도의 NaOH 용액에서 수열합성에 의해 티타네이트 구조의 나노튜브 등을 제조하는 방법이 문헌 (Chem. Eur. J. 2003, 9, 2229-2238; Chem. Phys. Lett., 2003, 380, 577-582; Langmuir 1998, 14, 3160-3163)에 알려져 있으나, 이와 같은 결정성 티타늄 산화물을 이용한 제조방법은 원료비가 큰 비중을 차지하며, 가시광 영역에서 광활성을 보이는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조가 곤란하다는 문제점이 있다.Recently, a method for producing a titanate-structured nanotube by hydrothermal synthesis in a high concentration of NaOH solution has been described (Chem. Eur. J. 2003, 9, 2229-2238; Chem. Phys. Lett., 2003, 380, 577-582; Langmuir 1998, 14, 3160-3163), but the manufacturing method using the crystalline titanium oxide such as titanium oxide occupies a large proportion of the material, and exhibits photoactivity in the visible region of titanium oxynitride There is a problem that is difficult to manufacture.

한편, 종래의 티타늄 옥시나이트라이드는 티타늄 전구체로서 티타늄 알콕사이드나 클로라이드 형태를 사용하고 알콜류의 용매에서 암모니아수를 적정하여 티타늄 겔을 형성한 후 500℃ 이상의 고온에서 암모니아 가스를 흘려 티타늄 옥시나이트라이드를 제조하여 왔다. 이러한 공정 또한 알콕사이드 형태의 무기 전구체 사용에 따른 비용 상승 및 고온에서 암모니아 가스에 의한 질화 반응을 수행하여야 하는 불편함과 100m2/g 의 상대적으로 작은 비표면적을 가지고 있다는 문제점이 있다. Meanwhile, conventional titanium oxynitride uses titanium alkoxide or chloride form as a titanium precursor, titrates ammonia water in an alcohol solvent to form a titanium gel, and then flows ammonia gas at a high temperature of 500 ° C. or higher to prepare titanium oxynitride. come. This process also has the disadvantage of having a relatively small specific surface area of 100m 2 / g and the inconvenience of having to carry out the cost of the alkoxide type inorganic precursor and the nitriding reaction with ammonia gas at high temperature.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노 형상의 제어가 용이하고, 높은 비표면적을 가지는 나노구조의 티타네이트를 저비용 고효율로 대량 생산할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a manufacturing method capable of mass-producing a titanate of nanostructures having easy control of nano shapes and having a high specific surface area at low cost and high efficiency.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 티타네이트를 사용하여 가시광 영역에서 높은 광활성을 갖는 높은 비표면적의 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a high specific surface area of titanium oxynitride having high photoactivity in the visible region using the titanate.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 티탄산염을 포함하는 광촉매를 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a photocatalyst including the titanate.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 옥시나이트라이드를 포함하는 광촉매를 제공하는 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a photocatalyst including the oxynitride.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above technical problem,

티타늄 전구체와 암모니아수를 용매와 혼합한 혼합물 용액을 수열합성(hydrothermal)하는 단계를 포함하는 티탄산염의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a titanate comprising the step of hydrothermally (hydrothermal) a mixture solution of a titanium precursor and ammonia water mixed with a solvent.

상기 티타늄 전구체로서는 티타늄 옥시설페이트, 티타늄 설페이트, 티타늄알콕사이드, 티타늄 할라이드 등을 사용할 수 있다.Titanium oxysulfate, titanium sulfate, titanium alkoxide, titanium halide, etc. can be used as said titanium precursor.

상기 암모니아의 몰비는 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 2 내지 25몰인 것이 바람직하다.The molar ratio of the ammonia is preferably 2 to 25 moles based on 1 mole of the titanium precursor.

상기 용매로서는 증류수, 알코올, 또는 이들의 혼합액 등을 사용할 수 있으며, 이들의 함량은 상기 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 50 내지 500몰인 것이 바람직하다.Distilled water, alcohol, or a mixture thereof may be used as the solvent, and the content thereof is preferably 50 to 500 moles based on 1 mole of the titanium precursor.

상기 수열합성온도는 80 내지 200℃인 것이 바람직하다.The hydrothermal synthesis temperature is preferably 80 to 200 ℃.

상기 수열합성시간은 0.1 내지 10시간이 바람직하다.The hydrothermal synthesis time is preferably 0.1 to 10 hours.

상기 티탄산염은 나노구조의 형태로서 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 나노입자 등의 형태를 갖는다.The titanate has a form of nanosheets, nanofibers, nanorods, nanoparticles, and the like in the form of nanostructures.

상기 티탄산염의 비표면적은 370 내지 520m2/g 인 것이 바람직하다.The specific surface area of the titanate is preferably 370 to 520 m 2 / g.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above other technical problem,

상술한 제조방법에서 얻어진 티탄산염을 200 내지 500℃에서 0.1 내지 10시간 동안 소성하는 단계를 포함하는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing titanium oxynitride comprising the step of firing the titanate obtained in the above-described manufacturing method at 200 to 500 ℃ for 0.1 to 10 hours.

상기 티타늄 옥시나이트라이드의 비표면적은 300 내지 380 m2/g 인 것이 바람직하다.The specific surface area of the titanium oxynitride is preferably 300 to 380 m 2 / g.

상기 티타늄 옥시나이트라이드는 나노구조의 형태로서 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 나노입자 등의 형태를 갖는다.The titanium oxynitride has a form of nanosheets, nanofibers, nanorods, nanoparticles, and the like in the form of nanostructures.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above another technical problem,

상기 티탄산염 또는 티타늄 옥시나이트라이드를 포함하는 광촉매를 제공한다.It provides a photocatalyst comprising the titanate or titanium oxynitride.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 나노구조의 티탄산염을 비교적 온화한 조건에서 대량 생산하는 제 조방법과, 얻어진 티탄산염을 더 소성하여 티타늄 옥시 나이트라이드를 제조하는 방법 및 이들을 포함하는 광촉매를 제공한다.The present invention provides a method for producing a large amount of nanostructured titanate under relatively mild conditions, a method for producing titanium oxynitride by further calcining the obtained titanate, and a photocatalyst comprising the same.

본 발명에 따른 티탄산염은 티타늄 전구체와 암모니아수를 용매와 혼합한 혼합물 용액을 수열합성하여 얻어진다.The titanate according to the present invention is obtained by hydrothermal synthesis of a mixture solution obtained by mixing a titanium precursor and ammonia water with a solvent.

상기 티타늄 전구체로서는 티타늄 옥시설페이트, 티타늄 설페이트, 티타늄알콕사이드, 티타늄 할라이드 등을 사용할 수 있으며, 상기 티타늄 옥시설페이트로서는 예를 들어 Aldrich, Fluka, Junsei에서 구입가능한 TiOSO4 xH2O xH2SO4를 사용할 수 있다.Titanium oxysulfate, titanium sulfate, titanium alkoxide, titanium halide, etc. may be used as the titanium precursor. For example, TiOSO 4 xH 2 O x H 2 SO 4 available from Aldrich, Fluka, Junsei may be used. have.

상기 티타늄 전구체와 염을 형성할 수 있는 물질로서는 암모니아수, 암모늄클로라이드 등을 예로 들 수 있으며, 상기 암모니아수로서는 28-30% 수용액을 사용할 수 있다.Examples of a material capable of forming a salt with the titanium precursor include ammonia water and ammonium chloride, and as the ammonia water, a 28-30% aqueous solution may be used.

상기 티타늄 전구체와 암모니아수의 몰비는 상기 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 상기 암모니아수(28 내지 30% 수용액의 경우)를 2 내지 25몰, 바람직하게는 5 내지 15몰을 사용할 수 있다. 상기 암모니아수의 몰비가 2몰 이하인 경우에는 나노구조가 형성되지 않는 문제가 있고, 25몰을 초과하는 경우에는 나노구조를 가진 물질들이 더미(Stack)를 형성하는 문제가 있어 바람직하지 않다.The molar ratio of the titanium precursor and ammonia water may be 2 to 25 mol, preferably 5 to 15 mol of the ammonia water (in the case of 28 to 30% aqueous solution) based on 1 mol of the titanium precursor. If the molar ratio of the ammonia water is 2 mol or less, there is a problem that the nanostructure is not formed, and if the molar ratio exceeds 25 mol, there is a problem in that a material having a nanostructure forms a stack.

이와 같은 티타늄 전구체 및 암모니아수는 용매에 혼합하여 사용하는 바, 이와 같은 용매로서는 증류수, 알코올 또는 이들의 혼합액 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 용매는 상기 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 약 50 내지 500몰 정도를 사용 할 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 효과적인 나노구조형상을 갖기가 어려울 것으로 여겨지나, 용매라는 특성상 반드시 이 범위내로 제한되는 것은 아님은 당업자는 당연히 이해할 수 있을 것이다.Such titanium precursor and ammonia water are mixed and used in a solvent. As such a solvent, distilled water, alcohol or a mixture thereof can be used. Such a solvent may use about 50 to about 500 moles based on 1 mole of the titanium precursor, and if it is out of the above range, it is considered difficult to have an effective nanostructure, but it is necessarily limited within this range due to the nature of the solvent. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not intended.

상기 티타늄 전구체와 암모니아수를 용매에 혼합하여 혼합물 용액을 제조함에 있어서, 상기 혼합물이 겔 상태로 얻어지는 바 이들이 보다 균질한 혼합물이 되도록 교반 과정을 수행하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 교반 과정은 상기 혼합물이 적절한 균질성을 확보할 정도이면 족하며 통상적으로는 약 10분 내지 3시간 정도 수행할 수 있다. 또한 상기 암모니아수의 경우 상기 티타늄 전구체와 함께 동시에 혼합할 수도 있고, 교반 과정에서 소량씩 나누어 첨가하는 것도 가능하며, 일부를 초기에 혼합한 후 교반 과정 이후에 소량씩 나누어 혼합하는 것도 가능하다. 이들 중에서 보다 균질한 혼합물을 얻기 위해서는 소량의 암모니아수를 미리 티타늄 전구체와 함께 용매에 혼합하여 교반과정을 거친 후, 일정량의 암모니아수를 천천히 적가하는 방법이 바람직하다고 할 것이다. 이와 같은 혼합물의 최종 조성은 상술한 바와 같다.In preparing a mixture solution by mixing the titanium precursor and ammonia water in a solvent, it is more preferable that the stirring process is performed so that the mixture is obtained in a gel state and they become a more homogeneous mixture. Such a stirring process is sufficient if the mixture is sufficient to ensure proper homogeneity, and can usually be performed for about 10 minutes to about 3 hours. In addition, the ammonia water may be mixed with the titanium precursor at the same time, may be added in small portions in the stirring process, and may be mixed in small portions after the stirring process after the initial mixing. Among them, in order to obtain a more homogeneous mixture, a small amount of ammonia water is mixed with a titanium precursor in advance in a solvent, followed by stirring, and then a method of slowly dropping a certain amount of ammonia water will be preferred. The final composition of this mixture is as described above.

균질한 상태의 혼합물을 얻은 후에는 수열합성하는 단계를 거치게 되는 바, 이와 같은 수열 합성 단계에서는 반응 온도 및 반응시간이 가장 주요한 제어 인자로서 작용하게 된다. 본 발명에 따른 수열 합성 단계에서 적용되는 반응 온도로서는 비교적 약한 온도범위인 약 80 내지 200℃, 바람직하게는 100 내지 150℃가 좋다. 상기 수열합성온도가 100℃ 미만인 경우에는 충분한 수열합성이 얻어지지 않으며, 150를 초과하는 경우에는 나노구조를 가진 산화물이 아니라 나노입자가 형성될 가능성이 있어 바람직하지 않다. 상기 본 발명에 따른 수열 합성 단계에서 적절한 반응시간으로서는 10 내지 100시간, 바람직하게는 24 내지 72시간이 좋다. 상기 반응시간이 10시간 미만이면 충분한 수열 합성을 얻을 수 없으며, 100시간을 초과하는 경우에는 초과되는 반응시간에 대한 수열 합성 효과가 거의 없어 바람직하지 않다.After obtaining a homogeneous mixture, a hydrothermal synthesis step is performed. In this hydrothermal synthesis step, the reaction temperature and the reaction time serve as the main control factors. The reaction temperature applied in the hydrothermal synthesis step according to the present invention is preferably about 80 to 200 ℃, preferably 100 to 150 ℃ which is a relatively weak temperature range. If the hydrothermal synthesis temperature is less than 100 ° C., sufficient hydrothermal synthesis is not obtained. If the hydrothermal synthesis temperature is more than 150, nanoparticles may be formed instead of oxides having nanostructures, which is undesirable. Suitable reaction time in the hydrothermal synthesis step according to the present invention is 10 to 100 hours, preferably 24 to 72 hours. If the reaction time is less than 10 hours, sufficient hydrothermal synthesis cannot be obtained, and if it exceeds 100 hours, there is little effect of hydrothermal synthesis on the excess reaction time.

상기와 같은 조건을 만족하는 수열 합성에 의하여 티타늄 전구체와 암모니아수가 반응을 하여 티탄산염을 형성하게 되며, 이어서 증류수 등을 사용하여 여액의 pH를 중성이 되도록 세척하는 과정을 더 수행할 수 있다. 중성이 된 이후에는 여액을 여과하여 에탄올 등을 사용하는 추가의 세척 과정을 더 수행한 후 진공 건조 오븐 등에서 생성물을 건조함으로써 나노 구조의 티탄산염을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 나노구조의 티탄산염은 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 나노입자 등의 형태를 가질 수 있으며, 이들은 반응몰수 혹은 반응온도에 영향을 받을 수 있는 바, 반응 몰수와는 무관하게 약 100℃ 미만에서는 나노입자가 형성되고, 약 140 내지 150℃ 사이에서는 나노로드가 형성되며, 약 150℃ 이상에서는 나노입자가 형성되고, 반응 몰수에 따라서는 약 100 내지 140℃ 사이에서는 나노시트(비율 10 미만) 또는 나노파이프(비율 10 이상)가 형성될 수 있다.By hydrothermal synthesis that satisfies the above conditions, the titanium precursor reacts with ammonia water to form titanate, followed by further washing the pH of the filtrate to neutrality using distilled water or the like. After neutralization, the filtrate is further filtered to further wash with ethanol, and then dried in a vacuum drying oven to form nanostructured titanate. The nanostructured titanate thus formed may have the form of nanosheets, nanofibers, nanorods, nanoparticles, etc., which may be affected by the number of moles of the reaction or the temperature of the reaction, regardless of the number of moles of the reaction. Nanoparticles are formed below < RTI ID = 0.0 > C, < / RTI > Below) or nanopipes (ratio 10 or more) may be formed.

상술한 바와 같은 수열 합성 단계에서 얻어지는 티탄산염은 높은 비표면적을 갖게 되는 바, BET 비표면적을 기준으로 370 내지 520m2/g의 비표면적을 갖게 된다.The titanate obtained in the hydrothermal synthesis step as described above has a high specific surface area, and has a specific surface area of 370 to 520 m 2 / g based on the BET specific surface area.

본 발명은 상술한 공정에 의해 얻어진 티탄산염을 이용하여 티타늄 옥시나이 트라이드를 제조할 수 있으며, 이와 같은 티타늄 옥시나이트라이드의 제조공정은 상기에서 제조한 티탄산염을 소성하는 단계를 포함한다.The present invention can produce titanium oxynitride by using the titanate obtained by the above-described process, the manufacturing process of such titanium oxynitride includes the step of firing the titanate prepared above.

상기 소성 공정은 200 내지 500℃, 바람직하게는 300 내지 500℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 온도 범위를 벗어나는 경우에는 충분한 소성을 얻을 수 없는 등의 문제가 있어 바람직하지 않다. 또한 상기 소성 공정이 수행되는 시간은 0.1 내지 10시간, 바람직하게는 1 내지 4시간 동안 수행할 수 있으며, 소성 시간이 0.1시간 미만이면 충분한 소성을 얻을 수 없으며, 10시간을 초과하는 경우에는 초과되는 소성 시간으로 인한 효과를 얻을 수 없어 경제적이지 않다는 문제가 있다.The firing process is preferably performed at a temperature of 200 to 500 ° C., preferably 300 to 500 ° C., and when it is out of the temperature range, there is a problem that sufficient baking cannot be obtained. In addition, the time for which the firing process is performed may be performed for 0.1 to 10 hours, preferably 1 to 4 hours, and if the firing time is less than 0.1 hour, sufficient firing may not be obtained, and in case of exceeding 10 hours There is a problem that it is not economical because the effect of the firing time is not obtained.

이와 같은 소성 공정은 티탄산염 내에 이미 암모니아기 등이 포함되어 있고, 이들이 소성 공정에서 기화될 수 있어 별도의 암모니아 가스를 주입하는 단계가 요구되지 않으며, 일반 대기 분위기하에서 수행할 수 있어 보다 경제적이라고 할 수 있다.Such a firing process is already included in the titanate, such as ammonia groups, they can be vaporized in the firing process does not require a step of injecting a separate ammonia gas, it can be carried out in a normal atmosphere atmosphere is more economical Can be.

상기 소성 공정에 의해 티탄산염 내에 남아 있는 수분, 수산화기 및 암모니아기 등이 제거되어 티타늄 옥시나이트라이드가 얻어지게 된다. 특히 상술한 바와 같은 티탄산염을 소성하여 얻어지는 티타늄 옥시나이트라이드는 높은 비표면적을 갖게 되는 바, BET 비표면적을 기준으로 250 내지 380m2/g의 값을 갖게 된다.The calcination process removes moisture, hydroxyl groups, and ammonia groups remaining in the titanate, thereby obtaining titanium oxynitride. In particular, the titanium oxynitride obtained by calcining the titanate as described above has a high specific surface area, and thus has a value of 250 to 380 m 2 / g based on the BET specific surface area.

또한 이와 같은 공정에 따른 티타늄 옥시나이트라이드는 그 입자 형태가 아나타제형이 얻어지게 되며, 그 구조는 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 나노입자 등의 형태를 갖는다.In addition, the titanium oxynitride according to this process is obtained in the form of anatase particles, the structure has the form of nanosheets, nanofibers, nanorods, nanoparticles and the like.

상기 티타늄 옥시나이트라이드는 높은 비표면적을 가짐에 따라 촉매적 활성이 높아 다양한 분야에서 활용이 가능하며, 특히 420nm 이상의 가시광 영역에서 빛을 흡수하는 광학적 특성을 가지므로 이를 이용하여 광촉매 등으로 유용하게 사용할 수 있다.The titanium oxynitride has a high specific surface area and thus has high catalytic activity and thus can be used in various fields. In particular, the titanium oxynitride has an optical property of absorbing light in the visible light region of 420 nm or more. Can be.

이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, which are intended to describe the present invention in more detail, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1 내지 3Examples 1 to 3

나노구조의 티탄산염을 합성하기 위한 방법은 다음과 같다. 28-30%의 암모니아수와 티타늄 전구체인 티타늄 옥시설페이트(Aldrich에서 구입가능; TiOSO4 xH2O xH2SO4)를 일정한 양의 증류수에 섞어서 균일한 혼합물이 되도록 1시간 이상 교반을 한 후, 일정량의 암모니아수를 천천히 적가하였다. 이렇게 만들어진 균일한 혼합물의 몰 조성은 TiOSO4 xH2O xH2SO4 : NH4OH : H2O가 1: 2 - 25 : 50 - 500이 되도록 하였다.Method for synthesizing nanostructured titanate is as follows. After mixing 28-30% aqueous ammonia and titanium precursor titanium oxalate (available from Aldrich; TiOSO 4 xH 2 O xH 2 SO 4 ) in a constant amount of distilled water and stirring it for a uniform mixture for at least 1 hour, Aqueous ammonia was slowly added dropwise. This molar composition of the mixture is made uniform TiOSO 4 xH 2 O xH 2 SO 4: NH 4 OH: H 2 O is 1: 500 was adjusted to -: - 50 2 25.

교반을 한 후에 형성된 겔 상태의 혼합물은 오토클레이브 용기에 옮기고 수열합성 온도인 100 내지 135℃에서 24 내지 72시간의 수열 합성(hydrothermal)과정을 거쳤다. 이렇게 얻어진 생성물은 먼저 증류수를 사용하여 여액의 pH가 중성이 될 때까지 여러 번 세척을 하고 중성의 여액이 걸러지면 에탄올을 사용하여 두 번 이상 세척을 수행한 후, 70 내지 80℃의 진공 건조 오븐에서 하루 이상 건조하였다. 이렇게 제조된 나노구조의 티탄산염 암모늄의 TEM 사진을 도 1a 및 도 1b와 이의 조직 특성을 하기 표 1에 나타내었다. 도 1a 및 도 1b의 TEM 사진으로부터 본 발명에 따른 티탄산염 암모늄이 (나노시트와 나노파이프)와 같은 구조적 특징을 가짐을 알 수 있다.The gel mixture formed after stirring was transferred to an autoclave vessel and subjected to a hydrothermal process for 24 to 72 hours at a hydrothermal synthesis temperature of 100 to 135 ° C. The product thus obtained is first washed several times with distilled water until the pH of the filtrate becomes neutral, and when the neutral filtrate is filtered, the product is washed two or more times with ethanol, and then vacuum dried oven at 70 to 80 ° C. Dried at least one day. TEM images of the nanostructured ammonium titanate thus prepared are shown in Table 1 below for FIGS. 1A and 1B and their tissue properties. From the TEM photographs of FIGS. 1A and 1B, it can be seen that ammonium titanate according to the present invention has structural features such as (nanosheet and nanopipe).

## 수열합성 조건Hydrothermal Synthesis Condition BET 비표면적 (m2/g)BET specific surface area (m 2 / g) 세공부피 (m3/g)Pore volume (m 3 / g) BJH 세공크기 (nm)BJH pore size (nm) 몰비Molar ratio 온도(oC)/시간(h)Temperature ( o C) / hour (h) 실시예1Example 1 1 : 5 : 501: 5: 50 120/72120/72 374374 0.560.56 4.04.0 실시예2Example 2 1 : 10 : 701: 10: 70 120/72120/72 459459 0.650.65 3.83.8 실시예3Example 3 1 : 15 : 801: 15: 80 120/72120/72 512512 0.720.72 3.73.7

상기 표 1에 따르면 본 발명에 따른 티탄산염 암모늄이 높은 BET 비표면적을 가지며, 세공부피 및 BJH 세공부피가 미세함을 알 수 있다.According to Table 1, it can be seen that ammonium titanate according to the present invention has a high BET specific surface area, and the pore volume and the BJH pore volume are fine.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1에서 제조된 티탄산염 암모늄을 400℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 대기 분위기에서 소성과정을 거쳐 남아 있는 수분, 수산화기 및 암모니아 기를 제거한 후 아나타제 구조의 티타늄 옥시나이트라이드를 얻었다. 이렇게 제조된 나노구조의 티타늄 옥시나이트라이드의 TEM 사진을 도 2에 나타내었으며, 그의 조직특성을 하기 표 2에 나타내었다. 도 2의 TEM사진으로부터 본 발명에 따른 티타늄 옥시나이트라이드는 티탄산염 구조에서 티타늄 산화물의 아나타제 구조로 변환이 일어남을 알 수 있다.The ammonium titanate prepared in Example 1 was calcined in an air atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 to 4 hours to remove the remaining water, hydroxyl groups, and ammonia groups, thereby obtaining titanium aoxynitride having an anatase structure. The TEM photograph of the titanium oxynitride having the nanostructure thus prepared is shown in FIG. 2, and its tissue characteristics are shown in Table 2 below. From the TEM photograph of FIG. 2, it can be seen that the titanium oxynitride according to the present invention is converted from the titanate structure to the anatase structure of the titanium oxide.

그리고 이러한 티타늄 옥시나이트라이드 내의 질소 원소 분석을 위해 XPS 분석 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3의 XPS 분석 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 실시예 4에서 얻어진 티타늄 옥시나이트라이드의 경우 실시예 3에서 얻어진 티탄산염 암모늄과 비교하여, 티타늄 옥시나이트라이드의 경우 질소 종(398.9 eV)이 티타늄 옥시나이트라이드 구조안에 존재하는 것이지만, 티탄산염 암모늄은 질소 종(N Species)의 일부가 티탄산염의 구조 안에 티타늄과 배위된 질소 종(400.5 eV)이거나 암모니아이온으로부터 기인된 질소 종(398.8 eV)임을 알 수 있다.And XPS analysis results for the nitrogen element analysis in the titanium oxynitride is shown in FIG. As can be seen from the XPS analysis of FIG. 3, the nitrogen species (398.9 eV) in the case of titanium oxynitride was titanium oxynitride in comparison with the ammonium titanate obtained in Example 3 in the case of the titanium oxynitride obtained in Example 4. Although present in the nitride structure, ammonium titanate shows that some of the N Species are nitrogen species coordinated with titanium (400.5 eV) in the structure of the titanate or nitrogen species (398.8 eV) derived from ammonia ions. Can be.

## 수열합성 조건Hydrothermal Synthesis Condition BET 비표면적 (m2/g)BET specific surface area (m 2 / g) 세공부피 (m3/g)Pore volume (m 3 / g) BJH 세공크기 (nm)BJH pore size (nm) 몰비Molar ratio 온도(oC)/시간(h)Temperature ( o C) / hour (h) 실시예4Example 4 1515 120/72 소성온도: 400 소성시간: >1h120/72 Firing temperature: 400 Firing time:> 1h 377377 0.610.61 3.53.5

상기 표 2의 결과로부터 본 발명에 따른 티타늄 옥시나이트라이드의 경우 BET 비표면적이 높고, 세공부피 및 BJH 세공크기가 미세함을 알 수 있다.From the results in Table 2, it can be seen that the titanium oxynitride according to the present invention has a high BET specific surface area and a fine pore volume and a BJH pore size.

실시예 5 내지 6Examples 5-6

28-30%의 암모니아수와 티타늄 전구체인 티타늄 옥시설페이트를 일정한 양의 증류수에 섞어서 균일한 혼합물이 되도록 1시간 이상 교반한 후, 일정량의 암모니아수를 천천히 적가하여 준다. 이렇게 만들어진 균일한 혼합물의 몰 조성은 TiOSO4 xH2O xH2SO4 : NH4OH : H2O가 1: 2 - 25 : 50 - 500 이 되도록 하였다. 교반을 한 후에 형성된 겔 상태의 혼합물을 오토클레이브 용기에 옮기고, 수열합성 온도인 140 - 150℃에서 24 - 72 시간의 수열 합성(hydrothermal)과정을 거쳤다. 이렇게 얻어진 생성물은 먼저 증류수를 사용하여 여액의 pH가 중성이 될 때까지 여러 번 세척을 하고 중성의 여액이 걸러지면 에탄올을 사용하여 두 번 이상 세척을 수행한다. 70 - 80℃의 진공 건조 오븐에서 하루 이상 건조하였다. 이렇게 제조된 나노구조의 티타늄 산화물의 TEM 사진을 도 4a 및 도 4b에 기재하였으며, 그의 조직특성을 하기 표 3에 나타내었다. 도 4a 및 도 4b의 TEM 사진으로부터 본 발명에 따른 티탄산염 암모늄이 나노로드 구조의 형상을 나타냄을 알 수 있다.After mixing 28-30% ammonia water and titanium oxalate, a titanium precursor, in a constant amount of distilled water and stirring it for a uniform mixture for at least 1 hour, a predetermined amount of ammonia water is slowly added dropwise. This molar composition of the mixture is made uniform TiOSO 4 xH 2 O xH 2 SO 4: NH 4 OH: H 2 O is 1: 500 was adjusted to -: - 50 2 25. After stirring, the formed gelled mixture was transferred to an autoclave vessel and subjected to a hydrothermal process for 24-72 hours at 140-150 ° C., a hydrothermal synthesis temperature. The product thus obtained is first washed several times with distilled water until the pH of the filtrate becomes neutral, and when the neutral filtrate is filtered, the product is washed two or more times with ethanol. Drying in a vacuum drying oven at 70-80 ° C. for at least one day. TEM photographs of the titanium oxide having the nanostructures thus prepared are shown in FIGS. 4A and 4B, and their tissue characteristics are shown in Table 3 below. From the TEM photographs of FIGS. 4A and 4B, it can be seen that ammonium titanate according to the present invention shows the shape of the nanorod structure.

구분division 수열합성 조건Hydrothermal Synthesis Condition BET 비표면적 (m2/g)BET specific surface area (m 2 / g) 세공부피 (m3/g)Pore volume (m 3 / g) BJH 세공크기 (nm)BJH pore size (nm) 몰비Molar ratio 실시예 5Example 5 1515 185185 0.410.41 3.53.5 실시예 6Example 6 1515 6565 0.350.35 --

상기 표 3의 결과는 140℃와 150℃에서 합성을 수행함에 따라 각각 나노로드와 나노입자가 형성됨으로 인하여 100 내지 135℃에서 합성된 나노시트나 나노파이프에 비해 작은 비표면적을 가지는 무기물이 합성됨을 알 수 있다.The results of Table 3 indicate that the nanorods and nanoparticles are formed as the synthesis is performed at 140 ° C. and 150 ° C., respectively, so that inorganic materials having a small specific surface area are synthesized compared to the nanosheets or nanopipes synthesized at 100 to 135 ° C. Able to know.

실시예 7Example 7

상기 실시예 1 내지 6에서와 같이 제조되어진 나노구조의 티타늄 산화물의 XRD 패턴을 도 5에 나타내었다. 도 5의 결과로부터 티타늄과 암모니아수의 몰비를 변화시켜 수열합성을 수행하였을 경우 나노구조를 가진 티타늄 산화물의 XRD 패턴(결정구조)은 변화가 없음을 알 수 있다. 단지, 형상만이 나노시트에서 나노파이프로 변형이 발생할 뿐이다. 하지만, 티타늄과 암모니아수의 몰비를 15로 고정한 후 수열합성 온도를 120에서 150℃로 변화시켰을 때 결정구조는 티타늄 산화물에서 옥시나이트라이드(아나타제형)으로 변화는 것을 확인할 수 있다.XRD patterns of the nanostructured titanium oxide prepared as in Examples 1 to 6 are shown in FIG. 5. From the results of FIG. 5, it can be seen that the XRD pattern (crystal structure) of titanium oxide having a nanostructure does not change when hydrothermal synthesis is performed by changing the molar ratio of titanium and ammonia water. Only shape is the transformation from nanosheets to nanopipes. However, when the molar ratio of titanium to ammonia water is fixed to 15 and the hydrothermal synthesis temperature is changed from 120 to 150 ° C., the crystal structure is changed from titanium oxide to oxynitride (ananatase type).

실시예 8Example 8

상기 실시예 4에서와 같이 제조되어진 티타늄 옥시나이트라이드는 가시광 영역에서 빛을 흡수하는 광학적 특성을 가지며 420 nm 이상의 가시광 영역의 빛을 흡수하여 이소프로필 알콜을 분해하는 광촉매 특성을 가지고 있다. 이러한 가시광 영역에서의 빛의 흡수는 도 6과 같이 UV/가시광 확산 반사 스펙트럼에 의해서 확인 되었으며, 420 nm 이상의 가시광을 조사한 조건에서의 이소프로필 알콜의 광분해 반응 결과는 도 7과 같다. 도 7에서와 같이 티타네이트는 이소프로필 알콜에 대한 광분해 활성을 확인 할 수 없었으나, 반면에 티타늄 옥시나이트라이드의 경우에는 1시간 이내에 이소프로필 알콜 초기 농도의 절반 이상을 광분해하여 이들을 제거함을 확인할 수 있다.Titanium oxynitride prepared as in Example 4 has an optical characteristic of absorbing light in the visible region and a photocatalyst characteristic of decomposing isopropyl alcohol by absorbing light in the visible region of 420 nm or more. Absorption of light in the visible light region was confirmed by UV / visible diffuse reflection spectrum as shown in FIG. As shown in FIG. 7, titanate was not able to confirm photodegradation activity for isopropyl alcohol, whereas in the case of titanium oxynitride, it was confirmed that at least half of the initial concentration of isopropyl alcohol was removed within 1 hour. have.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 8에서와 같은 방법으로 데구사 티타니아 P25를 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 결과는 도 7에 나타낸 것과 같이 가시광 영역에서 광활성을 나타내지 않는다.Comparative experiments were performed using Degussa titania P25 in the same manner as in Example 8. The results do not show photoactivity in the visible region as shown in FIG. 7.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 8에서와 같은 방법으로 기존에 사이언스지(Science, 2001, 293, 269-271)에 보고되어진 아사히(사람) 연구팀에 의해 제조 되어진 티타늄 옥시나이트라이드를 제조하여 비교 실험한 결과를 도 7에 나타내었다. 본 발명에 의해 제조되어진 티타늄 옥시나이트라이드에 비해 가시광에서 낮은 광활성을 나타내었다.In the same manner as in Example 8, the comparative results of the preparation of the titanium oxynitride prepared by the Asahi (human) research team previously reported in Science ( Science , 2001, 293, 269-271) are shown in FIG. Shown in Compared with the titanium oxynitride prepared by the present invention, it showed low photoactivity in visible light.

본 발명에 의해 제조된 티탄산염은 암모니아수와 티타늄 전구체의 몰비 및 수열합성 온도를 제어함으로써 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 나노입자 등의 형상 제어가 가능한 나노구조의 티타늄 산화물들을 제조할 수 있다. 본 발명에서는 비교적 낮은 온도의 수열합성과정에서 나노구조의 티타네이트를 제조하고, 이를 대기 분위기에서 소성과정을 수행함에 의해 높은 비표면적의 티타늄 옥시나이트라이드를 제조할 수 있는 저비용 고효율의 제조 방법이다. 또한 이러한 저비용으로 인해 대량 생산이 가능함으로써 가시광 하에서 대기 중의 휘발성 유기물 분해 등의 여러 환경 정화 분야에의 활용이 기대된다.The titanate prepared according to the present invention may prepare nanostructured titanium oxides capable of controlling the shape of nanosheets, nanofibers, nanorods, nanoparticles, etc. by controlling the molar ratio of the ammonia water and the titanium precursor and the hydrothermal synthesis temperature. In the present invention, a low-cost, high-efficiency manufacturing method capable of producing a high specific surface area of titanium oxynitride by preparing a nanostructured titanate in a relatively low temperature hydrothermal synthesis process and firing it in an air atmosphere. In addition, the low cost enables mass production, which is expected to be utilized in various environmental purification fields such as decomposition of volatile organic substances in the atmosphere under visible light.

Claims (16)

티타늄 전구체와 암모니아수를 용매와 혼합한 혼합물 용액을 수열합성(hydrothermal)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.A method for producing a titanate, characterized in that it comprises the step of hydrothermally (hydrothermal) a mixture solution of titanium precursor and ammonia water mixed with a solvent. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 전구체가 티타늄 옥시설페이트, 티타늄 설페이트, 티타늄알콕사이드, 및 티타늄 할라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the titanium precursor is at least one selected from the group consisting of titanium oxysulfate, titanium sulfate, titanium alkoxide, and titanium halide. 제1항에 있어서, 상기 암모니아수의 함량이 상기 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 2 내지 25몰인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the content of the ammonia water is 2 to 25 moles based on 1 mole of the titanium precursor. 제1항에 있어서, 상기 용매가 증류수, 알코올, 또는 이들의 혼합액인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method for producing titanate according to claim 1, wherein the solvent is distilled water, alcohol, or a mixture thereof. 제1항에 있어서, 상기 용매의 함량이 상기 티타늄 전구체 1몰을 기준으로 50 내지 500몰인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the content of the solvent is 50 to 500 moles based on 1 mole of the titanium precursor. 제1항에 있어서, 상기 수열합성단계의 반응온도가 80 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the reaction temperature of the hydrothermal synthesis step is 80 to 200 ℃. 제1항에 있어서, 상기 수열합성단계의 반응시간이 0.1 내지 10시간인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the reaction time of the hydrothermal synthesis step is 0.1 to 10 hours. 제1항에 있어서, 상기 티탄산염의 형태가 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 또는 나노입자인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the form of the titanate is nanosheets, nanofibers, nanorods, or nanoparticles. 제1항에 있어서, 상기 티탄산염의 BET 비표면적이 370 내지 520m2/g인 것을 특징으로 하는 티탄산염의 제조방법.The method of claim 1, wherein the titanate has a BET specific surface area of 370 to 520 m 2 / g. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 얻어진 티탄산염을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법.10. A method for producing titanium oxynitride, comprising calcining a titanate obtained by the process according to any one of claims 1 to 9. 제10항에 있어서, 상기 소성 공정의 소성 온도가 200 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법.The method for producing titanium oxynitride according to claim 10, wherein the firing temperature of the firing step is 200 to 500 ° C. 제10항에 있어서, 상기 소성 공정의 소성 시간이 0.1 내지 10시간인 것을 특징으로 하는 티타늄 옥시나이트라이의 제조방법.The method for producing titanium oxynitride according to claim 10, wherein the firing time of the firing step is 0.1 to 10 hours. 제10항에 있어서, 상기 티타늄 옥시나이트라이드의 BET 비표면적이 300 내지 380 m2/g인 것을 특징으로 하는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법.The method of claim 10, wherein the titanium oxynitride has a BET specific surface area of 300 to 380 m 2 / g. 제10항에 있어서, 상기 티타늄 옥시나이트라이드의 형태가 나노시트, 나노파이버, 나노로드, 또는 나노입자인 것을 특징으로 하는 티타늄 옥시나이트라이드의 제조방법.The method of claim 10, wherein the titanium oxynitride is in the form of nanosheets, nanofibers, nanorods, or nanoparticles. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 얻어진 티탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매.A photocatalyst comprising a titanate obtained by the production method according to any one of claims 1 to 9. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 얻어진 티타늄 옥시나이트라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매.A photocatalyst comprising titanium oxynitride obtained by the manufacturing method according to any one of claims 10 to 14.
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