KR20100003902A - Photoelectrocatalytic oxidation electrode for treatment of non-degradable waste and method for treating non-degradable waste using same - Google Patents

Photoelectrocatalytic oxidation electrode for treatment of non-degradable waste and method for treating non-degradable waste using same Download PDF

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박재현
류혜진
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Abstract

PURPOSE: A photoelectrocatalytic oxidation electrode for treatment of non-degradable waste water and a non-degradable waste water treatment method using the same are provided to prevent the recombination of electrons and holes by creating an electric potential difference and maximize decomposition efficiency of non-degradable material. CONSTITUTION: A photoelectrocatalytic oxidation electrode for treatment of non-degradable waste water comprises a conductive support and a photocatalyst layer. The conductive support is selected from the group consisting of graphite, carbon nanotube, Indium-Tin-Oxide and their mixture. The photocatalyst layer including a first optical catalyst of mesoporous and a TiO2 second optical catalyst of mixed crystal type is formed on the supporter.

Description

난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극 및 이를 이용한 난분해성 폐수 처리 방법{PHOTOELECTROCATALYTIC OXIDATION ELECTRODE FOR TREATMENT OF NON-DEGRADABLE WASTE AND METHOD FOR TREATING NON-DEGRADABLE WASTE USING SAME}Photoelectrocatalytic oxidation electrode for refractory wastewater treatment and non-degradable wastewater treatment method using same

본 발명은 난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극 및 이를 이용한 난분해성 폐수 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난분해성 폐수 처리를 함에 있어서 촉매를 용이하게 회수할 수 있고, 전위차를 발생시켜 정공과 전자의 재결합을 방지할 수 있으며, OH 라디칼의 지속적인 생성으로 폐수 중에 포함된 난분해성 물질에 대한 분해 효율을 극대화할 수 있는 난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극 및 이를 이용한 난분해성 폐수 처리 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrode for photoelectrocatalytic oxidation for hardly decomposable wastewater treatment and a method for treating hardly decomposable wastewater using the same. More particularly, the catalyst can be easily recovered and the potential difference is generated in the hardly decomposable wastewater treatment. Electrode for photocatalytic oxidation for difficult-decomposable wastewater treatment, which can prevent recombination of holes and electrons, and maximize the decomposition efficiency of hardly decomposable substances contained in wastewater through continuous generation of OH radicals It relates to a processing method.

광촉매 관련된 연구는 기본적으로 태양에너지 이용기술 개발과 직접적인 연관이 있다. 태양에너지 이용기술은 크게 태양전지, 태양열, 광촉매 등으로 나누어 볼 수 있으며 광촉매의 핵심은 태양에너지를 직접 화학에너지를 전환하는 데 있다. 화학에너지로 전환은 화학연료 합성과 화학반응을 일으킴을 이용한 물의 광분해의 의한 수소 제조가 주요 동기였으나 30년이 지난 현재기술은 기초수준에 머물고 있는 반면, 광촉매를 이용한 환경오염 물질의 분해, 광촉매의 기능성 코팅 소재로서 의 이용 기술 등은 시기적으로 후반부에 출현하였음에도 불구하고 학문적 실용적 측면에서 모두 상당한 진보를 이루어 냈으며 이미 상용화된 제품이 시장에 출시되고 있다. Photocatalyst related research is directly related to the development of solar energy utilization technology. Solar energy utilization technology can be largely divided into solar cells, solar heat, photocatalysts, etc. The core of the photocatalyst is to directly convert solar energy into chemical energy. The conversion to chemical energy was mainly due to the production of hydrogen by photochemical decomposition of water using chemical fuel synthesis and chemical reactions. However, 30 years later, the current technology remains at the basic level, whereas the decomposition of environmental pollutants using photocatalyst and photocatalyst Although the use technology as a functional coating material appeared later in time, significant advances have been made in both academic and practical aspects, and commercial products are already on the market.

광촉매 응용제품은 코팅소재로서 기능을 주대상으로 하고 있으며, 그 적용대상이 매우 광범위하고 종류 또한 다양하다. 구체적인 대상으로는 의료용품, 주방 및 주거용품, 각종 건자재, 도로설비, 건축물, 자동차용품, 의류 등 다양한 곳에서 사용되고 있다. 환경정화 부분에서는 실내공기 정화기 개발과 연관된 연구가 주류를 이루고 있고 NOx, 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거기술 개발 등이 꾸준히 연구되고 있다. 반면에 수 처리와 관련된 분야에서는 연구 활동과 논문발표는 매우 활발한데 비하여 사용화되는 제품은 드문 것이 특징이다. 한편, 광촉매의 새로운 응용 분야도 계속 탐색되고 있으며, 최근 들어 보고되고 있는 기존의 광촉매의 단점을 보완하는 연구도 활발히 진행되고 있다.Photocatalyst applications mainly function as coating materials, and their applications are very broad and diverse. Specifically, it is used in various places such as medical supplies, kitchen and residential goods, various construction materials, road equipment, buildings, automobile supplies, and clothing. In the area of environmental purification, researches related to the development of indoor air purifiers have been mainstream, and NOx and volatile organic compound (VOC) removal technologies have been steadily being studied. On the other hand, research activities and paper publications are very active in the field of water treatment, but the products used are rare. On the other hand, new applications of photocatalysts are continuously being explored, and researches are being actively conducted to supplement the disadvantages of existing photocatalysts, which have recently been reported.

난분해성 폐수처리에 이용되고 있는 광촉매 산화(Photocatalysis) 방법은 TiO2 광촉매를 수중에 분산 시키고 밴드 갭(band gap) 이상의 에너지를 갖는 UV를 조사하여 TiO2 광촉매 표면에서 전자와 정공의 쌍을 발생시키고 전자와 정공의 직·간접적인 산화에 의하여 수중 유기오염물질을 처리하는 방법이다. 처리 효율이 비교적 우수하나, 분산시킨 광촉매의 회수가 용이하지 않고, 정공이 전자와 재결합되는 속도를 최대한 낮추기 위해 산소와 과산화수소 같은 첨가제가 지속적으로 투입 되어야 하는 문제점이 있다.The photocatalysis method used for the hardly degradable wastewater treatment disperses the TiO 2 photocatalyst in water and irradiates UV with energy above the band gap to generate a pair of electrons and holes on the TiO 2 photocatalyst surface. It is a method of treating organic pollutants in water by direct and indirect oxidation of electrons and holes. Although the treatment efficiency is relatively excellent, there is a problem in that the recovery of the dispersed photocatalyst is not easy, and additives such as oxygen and hydrogen peroxide must be continuously added to lower the rate at which holes are recombined with electrons as much as possible.

상기 문제점 중 분산시킨 광촉매를 회수해야 하는 문제점을 보완하기 위해 시도되고 있는 방법이 광촉매를 다양한 지지체에 고정하는 방법이다. 지지체에 광촉매를 고정하는 방법으로는 함침법(impregnation), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition: CVD), 졸-겔법(sol-gel)의 세 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 고정화시킨 광촉매는 코팅방식에 따라 약간의 차이가 있으나 코팅되는 광촉매 양이 매우 적으며, 표면적이 파우더에 비해 매우 낮다. 또한, 광촉매의 두께가 얇기 때문에 유기물질의 처리 효율이 현격히 줄어드는 단점이 있다. 이러한 고정화된 광촉매의 문제점을 보완하는 방법으로 광촉매 자체의 물성을 변화시켜 활성을 높이는 방법과, 보다 많은 양의 촉매가 광촉매 반응에 참여할 수 있도록 복합체(composite) 형태로 성형하여 제조하는 방법 등 다양한 방법들이 시도되고 있다. Among the above problems, a method that is attempted to compensate for the problem of recovering the dispersed photocatalyst is a method of fixing the photocatalyst to various supports. As a method of fixing a photocatalyst to a support, three methods of impregnation, chemical vapor deposition (CVD), and sol-gel are generally used. The immobilized photocatalyst is slightly different depending on the coating method, but the amount of the photocatalyst to be coated is very small and the surface area is very low compared to the powder. In addition, since the thickness of the photocatalyst is thin, there is a disadvantage that the treatment efficiency of the organic material is significantly reduced. As a method of compensating the problems of the immobilized photocatalyst, various methods, such as a method of increasing the activity of the photocatalyst itself and enhancing the activity, and a method of forming and preparing a composite so that a larger amount of the catalyst can participate in the photocatalytic reaction Are being tried.

상기 전자와 정공의 빠른 재결합을 방지하기 위하여 산소나 과산화수소와 같은 전자수용체를 지속적으로 투입하여야 하는 단점을 보완하기 위한 방법으로는 광전기 촉매 산화방법(photoelectrocatalytic oxidation)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이 방법은 전기전도성을 가진 지지체에 TiO2 등의 광촉매를 고정하고, 고정화된 광촉매에 인위적으로 전위차를 생성시켜 정공과 전자의 재결합을 방지하여 OH 라디칼의 지속적인 생성이 가능하도록 하는 방법이다. 광전기 촉매 산화방법은 지지체에 TiO2를 고정시켜 사용하므로 별도의 광촉매 회수장치가 필요하지 않으며, 여기된 전자를 정전위기(potentiostat)로 전위차를 발생시켜 상대전극 쪽으로 이동하게 하여 여기된 전자와 정공의 재결합을 방지하기 때문에 전자와 정공의 재결합 방지를 위하여 전자수용체인 산소나 과산화수소 등과 같은 소모되는 약품의 사용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 광에 의해 생성된 전자가 상대 전극(counter electrode)에서 외부로 순회하도록 하기 때문에 광촉매 산화에 비해 효율이 매우 우수하며, 상대전극으로 이동한 전자에 의한 환원 반응에 의해 수중에 이온 상태로 존재하는 중금속을 환원시켜 제거할 수 있으며 고가의 귀금속이 존재하는 경우 이를 회수할 수 있다는 장점이 있다. In order to compensate for the disadvantage that the electron acceptor such as oxygen or hydrogen peroxide must be continuously added to prevent the rapid recombination of the electrons and holes, research on photoelectrocatalytic oxidation is being actively conducted. This method uses TiO 2 on an electrically conductive support. It is a method of fixing photocatalysts such as the like and artificially generating a potential difference in the immobilized photocatalyst to prevent recombination of holes and electrons, thereby enabling continuous generation of OH radicals. Since the photocatalytic oxidation method uses TiO 2 fixed to the support, a separate photocatalyst recovery device is not required. The photoelectrocatalytic oxidation method does not require a photocatalyst recovery device, and generates an electric potential difference with a potentiostat to move toward the counter electrode. Because it prevents recombination, there is an advantage in that it is possible to reduce the use of consumed chemicals such as oxygen or hydrogen peroxide, which are electron acceptors, to prevent recombination of electrons and holes. In addition, since the electrons generated by light circulate from the counter electrode to the outside, the efficiency is much higher than that of photocatalytic oxidation, and is present in the ionic state in water by the reduction reaction by the electrons moved to the counter electrode. It can be removed by reducing the heavy metal and there is an advantage that can be recovered if expensive precious metal is present.

그러나 이 방법의 효과적인 적용을 위해서는 전기전도성과 유기물 분해 효율이 우수한 전극의 제조가 필수적이다.However, for the effective application of this method, it is essential to manufacture electrodes having excellent electrical conductivity and organic decomposition efficiency.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기전도성을 가진 지지체에 광촉매를 고정하여 광전기 촉매산화용 전극을 제조함으로써, 난분해성 폐수 처리를 함에 있어서 촉매를 용이하게 회수할 수 있고, 정공이 전자와 재결합되는 속도를 최대한 낮추기 위해 산소와 과산화수소 같은 첨가제를 지속적으로 투입할 필요가 없으며, 정공과 전자의 재결합을 방지하여 OH 라디칼의 지속적인 생성이 가능하도록 하여 난분해성 물질에 대해 우수한 분해 효율을 나타내는, 난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by fixing the photocatalyst to the support having an electrical conductivity to prepare an electrode for the photoelectric catalytic oxidation, it is possible to easily recover the catalyst in the treatment of difficult-decomposable wastewater In order to minimize the rate at which holes recombine with electrons, additives such as oxygen and hydrogen peroxide do not need to be continuously added. An object for photoelectrocatalytic oxidation for difficult-decomposable wastewater treatment is provided.

본 발명은 또한 상기와 같은 광전기 촉매산화용 전극을 이용하여 우수한 분해 효율을 나타내는 난분해성 폐수 처리 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a method for treating hardly decomposable wastewater which exhibits excellent decomposition efficiency using the photoelectrocatalytic oxidation electrode as described above.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other technical problems will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 구현예에 따르면 전도성 지지체, 및 상기 지지체 위에 형성되는 광촉매층을 포함하며, 상기 광촉매층은 메조포러스의 제1광촉매, 및 아나타제형:루틸형의 결정구조를 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 혼합결정형의 TiO2 제2광촉매를 포함하는 것인 난분해성 폐수처 리를 위한 광전기 촉매산화용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, according to a first embodiment of the present invention comprises a conductive support, and a photocatalyst layer formed on the support, the photocatalyst layer is a first photocatalyst of mesoporous, and anatase type: rutile type Provided is a photoelectrocatalytic oxidation electrode for refractory wastewater treatment comprising a mixed crystal type TiO 2 second photocatalyst comprising a crystal structure of 80:20 to 60:40 in a weight ratio.

본 발명의 제2 구현예에 따르면, 상기 광전기 촉매산화용 전극을 이용한 난분해성 폐수처리 방법을 제공한다.According to a second embodiment of the present invention, there is provided a hardly degradable wastewater treatment method using the photoelectrocatalytic oxidation electrode.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

본 발명에 따른 광전기 촉매산화용 전극은 난분해성 폐수 처리를 함에 있어서 촉매를 용이하게 회수할 수 있고, 전위차를 발생시켜 정공과 전자의 재결합을 방지할 수 있으며, 또한 OH 라디칼의 지속적인 생성이 가능하여 폐수 중에 포함된 포름산, 금속 산화물, 금속 유기 화합물, 매염제 등의 난분해성 물질에 대한 분해 효율을 극대화할 수 있다.The photoelectrocatalytic oxidation electrode according to the present invention can easily recover the catalyst in the treatment of difficult-decomposable wastewater, prevent the recombination of holes and electrons by generating a potential difference, and also enables the continuous generation of OH radicals. It is possible to maximize the decomposition efficiency of hardly decomposable substances such as formic acid, metal oxides, metal organic compounds and mordants contained in the waste water.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited, and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.

본 명세서에 있어서 특별한 언급이 없는 한, "메조기공성"이란 2 내지 50nm의 기공직경을 갖는 기공을 포함하는 것을 의미하고, "나노입자"란 2 내지 100nm의 직경을 갖는 입자를 의미한다. Unless otherwise specified in the present specification, "mesoporous" means including pores having a pore diameter of 2 to 50 nm, and "nanoparticles" refers to particles having a diameter of 2 to 100 nm.

광전기 촉매산화용 전극으로 TiO2가 박막 형태로 고정된 전극이 일반적으로 사용되었다. TiO2를 박막형태로 고정하는데 사용되는 방법 중 가장 널리 사용되는 졸-겔 방법이 이용되었으나, 상기 졸-겔 방법은 유리 또는 세라믹 담체에 TiO2 코팅을 하는 경우, 박막 형성에는 큰 문제가 없으나 화학적, 기계적 및 열적으로 안정한 전극을 형성시키는 데에는 많은 어려움이 있다. 광전기 촉매산화용 전극 제조를 위해서는 광촉매의 분산도, 종류, 성능, 지지체의 성질, 바인더의 종류, 성형강도에 따른 내구성을 고려하여야 한다. As the photoelectrocatalytic oxidation electrode, an electrode in which TiO 2 is fixed in the form of a thin film has been generally used. The most widely used sol-gel method is used to fix TiO 2 in the form of a thin film. However, the sol-gel method has no problem in forming a thin film when TiO 2 is coated on a glass or ceramic carrier. There are many difficulties in forming a mechanically and thermally stable electrode. For the preparation of the photoelectrocatalytic oxidation electrode, the durability according to the dispersion degree, type, performance, properties of the support, binder type, and molding strength should be considered.

이에 따라 본 발명에서는 화학적으로 안정하며 전도성이 우수한 전극 지지체를 이용하고, 상기 전극 지지체에 서로 다른 특성을 갖는 이종의 광촉매를 이용하여 광촉매층을 형성함으로써 화학적, 기계적 및 열적으로 안정하여 높은 분해효율 및 내구성을 갖는 광전기 촉매산화용 전극을 제조할 수 있다.Accordingly, in the present invention, by using an electrode support that is chemically stable and excellent in conductivity, and forms a photocatalyst layer using heterogeneous photocatalysts having different characteristics on the electrode support, chemical, mechanical, and thermal stability are achieved, resulting in high decomposition efficiency and The electrode for photoelectrocatalytic oxidation with durability can be manufactured.

즉, 본 발명의 제1 구현예에 따른 난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극은 전도성 지지체, 및 상기 지지체 위에 형성되는 광촉매층을 포함하며, 상기 광촉매층은 메조포러스의 제1광촉매, 및 아나타제형:루틸형의 결정상을 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 혼합결정형의 TiO2 제2광촉매를 포함한다.That is, the electrode for photovoltaic catalytic oxidation for the hardly decomposable wastewater treatment according to the first embodiment of the present invention includes a conductive support, and a photocatalyst layer formed on the support, wherein the photocatalyst layer is a first photocatalyst of mesoporous, and A mixed crystal crystalline TiO 2 second photocatalyst comprising an anatase: rutile crystalline phase in a weight ratio of 80:20 to 60:40.

상기 지지체로는 전도성을 가지며, 적절한 기계적 강도를 갖는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로는 흑연, 카본나노튜브, 인듐틴옥사이드(ITO), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 또한 상기 인듐틴옥사이드가 코팅된 유리기판을 사용할 수도 있다.The support may be used without particular limitation as long as it has conductivity and has appropriate mechanical strength. Specifically, one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes, indium tin oxide (ITO), and mixtures thereof may be used, and a glass substrate coated with the indium tin oxide may also be used.

이 중에서도 전기전도도가 우수하여 광촉매 반응에 의해 발생된 전자를 외부 회로로 원활하게 방출할 수 있으므로 광촉매의 광 활성을 보다 증가시킬 수 있는 흑연, 및 기계적 강도와 전기 전도성이 우수한 카본나노튜브가 보다 바람직하다. 또한 상기 카본나노튜브중에서도 약 1TPa의 강성률을 가지며, 자체 전기 전도도가 103 S/cm로 매우 우수한 단일벽 탄소나노튜브(single-wall nanotube: SWNT)가 보다 더 바람직하다.Among these, graphite having high electrical conductivity and smooth emission of electrons generated by a photocatalytic reaction to an external circuit, and carbon nanotubes having excellent mechanical strength and electrical conductivity are more preferable. Do. In addition, among the carbon nanotubes, single-wall nanotubes (SWNTs) having a stiffness of about 1TPa and excellent in electric conductivity of 10 3 S / cm are more preferable.

상기 광촉매층은 서로 다른 특성을 갖는 이종의 광촉매를 포함한다.The photocatalyst layer includes heterogeneous photocatalysts having different characteristics.

구체적으로는 메조다공성의 제1광촉매 및 아나타제형:루틸형의 결정상을 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 혼합결정형의 TiO2 제2광촉매를 포함한다. 상기 제1광촉매와 제2광촉매는 서로 혼합된 상태로 광촉매층을 형성할 수도 있고, 보다 바람직하게는 제1광촉매가 제2광촉매에 의해 표면처리된 상태로 광촉매층을 형성할 수도 있다.Specifically, a mixed crystal type TiO 2 second photocatalyst comprising a mesoporous first photocatalyst and an anatase: rutile crystalline phase in a weight ratio of 80:20 to 60:40. The first photocatalyst and the second photocatalyst may form a photocatalyst layer in a mixed state, and more preferably, the first photocatalyst may form a photocatalyst layer in a state where the first photocatalyst is surface treated by the second photocatalyst.

상기 제1광촉매는 우수한 촉매 효율을 나타낼 수 있도록 넓은 비표면적을 갖는 것으로, 통상 광촉매로 사용되는 것 중 메조다공성을 갖는 것이라면 특별한 한정 없이 사용할 수 있다. 구체적으로는 메조다공성의 TiO2를 들 수 있다. The first photocatalyst has a large specific surface area to exhibit excellent catalyst efficiency, and can be used without particular limitation as long as it has mesoporosity among those normally used as photocatalysts. Specifically, mesoporous TiO 2 is mentioned.

상기 TiO2는 결정형 또는 무정형일 수 있으며, 또한 결정형일 경우 아나타제(anatase)형, 루틸(rutile)형, 부루카이트(brookite)형, 및 이들의 혼합형의 결정구조를 가질 수 있다.The TiO 2 may be crystalline or amorphous, and in the crystalline form, may have an anatase type, a rutile type, a brookite type, and a mixed type thereof.

상기 제1광촉매내 포함되는 메조 기공은 4.4 내지 7.5nm의 기공 직경을 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같은 범위내의 기공 직경을 가질 때 촉매 활성 개선 효 과 및 기계적 강도의 발란스면에서 바람직하다.The mesopores included in the first photocatalyst preferably have a pore diameter of 4.4 to 7.5 nm. When it has a pore diameter in the above range, it is preferable in terms of the effect of improving the catalytic activity and the balance of mechanical strength.

또한 상기 제2광촉매로는 아나타제형:루틸형의 결정상을 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 혼합결정형의 TiO2를 사용할 수 있다.As the second photocatalyst, a mixed crystal type TiO 2 containing an anatase type: rutile type crystal phase in a weight ratio of 80:20 to 60:40 may be used.

광촉매의 결정구조에 따라 반응성이 달라지게 되는데 상기 제2광촉매는 아나타제형 및 루틸형 결정상의 혼합결정상을 가져 더욱 우수한 광활성을 나타낸다. The reactivity varies depending on the crystal structure of the photocatalyst. The second photocatalyst has a mixed crystal phase of the anatase type and the rutile type crystal phase, and thus exhibits excellent photoactivity.

상기 제2광촉매는 아나타제형의 결정상과 루틸형의 결정상을 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70:30 내지 60:40의 중량비로 포함한다. 상기와 같은 중량비로 각각의 결정상을 포함할 때 보다 우수한 광활성 개선효과를 나타낼 수 있다.The second photocatalyst preferably comprises an anatase crystalline phase and a rutile crystalline phase in a weight ratio of 80:20 to 60:40, more preferably 70:30 to 60:40. When including the respective crystal phase in the weight ratio as described above it can exhibit an excellent photoactivity improvement effect.

상기 제2광촉매는 다공성 또는 비다공성일 수 있으며, 바람직하게는 비다공성인 것이 좋다. The second photocatalyst may be porous or nonporous, preferably nonporous.

상기와 갖은 물성을 갖는 제1광촉매 및 제2광촉매는 광촉매층내에 2 :1 내지 1:1의 중량비로 포함되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 중량비로 혼합될 때 광촉매층내 표면 전도도를 증가시킴으로써 광활성을 향상시킬 수 있어 바람직하다. The first photocatalyst and the second photocatalyst having physical properties having the above properties are preferably included in the photocatalyst layer in a weight ratio of 2: 1 to 1: 1. When mixed in the above weight ratio, it is preferable because the photoactivity can be improved by increasing the surface conductivity in the photocatalyst layer.

상기 광촉매층은 도전제, 바인더, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함할 수도 있다.The photocatalyst layer may further include one selected from the group consisting of a conductive agent, a binder, and a mixture thereof.

상기 도전제는 전극에 도전성을 부여하기 위한 것으로, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 재료이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블 랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등을 사용할 수 있으며, 이들 도전제중 1종을 선택하여 사용할 수 있다. The conductive agent is for imparting conductivity to the electrode, and may be used without particular limitation as long as it is a material having electronic conductivity without causing chemical change in the battery. Specific examples thereof may include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, and the like, and one of these conductive agents may be selected and used.

상기 도전제는 광촉매 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 내지 50중량부로 포함될 수 있다. 상기와 같은 함량범위로 포함될 때 광촉매 효율의 저하 우려 없이 우수한 전도성을 나타낼 수 있다.The conductive agent is preferably included in 10 to 1000 parts by weight, more preferably 30 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the photocatalyst. When included in the content range as described above can exhibit excellent conductivity without fear of deterioration of the photocatalyst efficiency.

상기 바인더는 전기화학 반응에 안정한 물질로 전극의 내구성을 향상시키는 작용을 한다. 이러한 바인더로는 수용성 고분자, 소수성 고분자, 전기 전도성 고분자, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 상기 수용성 고분자로는 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 이소프로필셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 시아노에틸셀룰로오스, 에틸-히드록시에틸셀룰로오스, 폴리옥시에틸렌, 폴리 N-비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 상기 소수성 고분자로는 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌 중합체, 트리플루오로에틸렌 중합체, 디플루오로에틸렌 중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 트리플루오로에틸렌 클로라이드 중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 또한 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아센, 폴리티오 펜, 폴리알킬티오펜, 폴리(p-페닐렌), 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리퓨란, 폴리아세틸렌, 폴리세레노펜(polyselenophene), 폴리이소티아나프텐, 폴리티오펜비닐렌, 폴리페리나프탈렌(polyperinaphthalene), 폴리안트라센, 폴리나프탈렌, 폴리프로필렌, 폴리아줄렌(polyazulene), 이들의 유도체 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전기 전도성 고분자를 사용할 수도 있다. 또한 이외 페놀수지를 사용할 수도 있다.The binder serves to improve the durability of the electrode as a material stable to the electrochemical reaction. The binder may be one selected from the group consisting of water-soluble polymers, hydrophobic polymers, electrically conductive polymers, derivatives thereof, and combinations thereof. Examples of the water-soluble polymer include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl cellulose, isopropyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, cyanoethyl cellulose, and ethyl-hydroxyethyl cellulose. , Polyoxyethylene, poly N-vinylpyrrolidone, polyvinylacetate and one selected from the group consisting of a combination thereof are possible. The hydrophobic polymer may be polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene polymer, trifluoroethylene polymer, difluoroethylene polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoro One selected from the group consisting of a low propylene copolymer, a tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, a trifluoroethylene chloride polymer, polyethylene, polypropylene, and combinations thereof is possible. Also polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polyacene, polythiophene, polyalkylthiophene, poly (p-phenylene), polyphenylene, polyphenylene sulfide, polyphenylenevinylene, polyfuran, polyacetylene, poly With polyselenophene, polyisothianaphthene, polythiophenevinylene, polyperinaphthalene, polyanthracene, polynaphthalene, polypropylene, polyazulene, derivatives thereof and copolymers thereof It is also possible to use one or more electrically conductive polymers selected from the group consisting of. In addition, other phenol resins may be used.

상기 폴리아닐린(Polyaniline: PANI)은 널리 알려진 전도성 고분자로서 쉬운 제조와 가공, 화학적 물리적으로 많은 연구가 되었으며, 비교적 좋은 안정성과 큰 규모로 상품화 되고 있는 고분자이다. 또한 폴리아닐린과 폴리에틸렌은 상호침투형 네트워크(interpenetrated network: IPN)를 형성하여 강도가 우수하다는 장점이 있다. The polyaniline (Polyaniline: PANI) is a well-known conductive polymer, easy manufacturing and processing, has been studied a lot of physical and chemical, and is a polymer that is commercialized on a relatively good stability and large scale. In addition, polyaniline and polyethylene have an advantage of excellent strength by forming an interpenetrated network (IPN).

또한 상기 카르복시알킬셀룰로오스 역시 전도성 바인더로 널리 사용되는 것으로 말단에 히드록시기를 갖고 있다. 그 결과 수중의 접촉각을 낮출 수 있으며 전도성을 가지고 있으므로 수중에서 계면의 반응을 높일 수 있다. In addition, the carboxyalkyl cellulose is also widely used as a conductive binder has a hydroxyl group at the end. As a result, the contact angle in the water can be lowered and the conductivity can increase the reaction of the interface in the water.

보다 바람직하게는 상기 바인더로 폴리아닐린, 카르복시알킬셀룰로오스, 폴리에틸렌, 폴리아닐린 에머랄딘염(polyaniline emeraldine salt) 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.More preferably, as the binder, polyaniline, carboxyalkyl cellulose, polyethylene, polyaniline emeraldine salt and mixtures thereof may be used.

광전기 촉매 산화 반응은 표면반응이기 때문에 전극 표면의 광촉매의 양이 증가할수록 유기 물질 처리 효율도 증가하게 된다. 그러나 광촉매의 양이 지나치게 증가하게 되면 전기전도도가 감소하여 처리 효율에 영향을 미치게 된다. 또한 바인더는 전극 제조시 성형 형태 및 수중에서의 강도에 영향을 미치기 때문에 광촉매와 전도성 바인더의 비율을 적절히 하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 바인더는 광촉매층 총 중량에 대하여 20중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 20중량%로 포함될 수 있다. 상기와 같은 함량범위내로 광촉매층에 포함될 때 광촉매 효율의 저하에 대한 우려 없이 우수한 전도성 및 지지체에 대한 광촉매층의 접착 효과를 나타낼 수 있어 바람직하다. Since the photocatalytic oxidation reaction is a surface reaction, as the amount of the photocatalyst on the electrode surface increases, the treatment efficiency of the organic material also increases. However, if the amount of the photocatalyst is excessively increased, the electrical conductivity decreases, which affects the treatment efficiency. In addition, since the binder affects the shape of the electrode and the strength in the water during manufacturing, it is preferable to properly adjust the ratio of the photocatalyst and the conductive binder. Specifically, the binder is preferably included in 20% by weight or less, more preferably 5 to 20% by weight based on the total weight of the photocatalyst layer. When included in the photocatalytic layer within the content range as described above, it is preferable because it can exhibit excellent conductivity and the adhesion effect of the photocatalyst layer to the support without fear of lowering the photocatalytic efficiency.

상기와 같은 구성을 갖는 광전기 촉매산화용 전극은 210 내지 400nm의 자외선 파장 영역에서 가장 우수한 UV 흡수율을 나타낸다. The photoelectrocatalytic oxidation electrode having the above configuration exhibits the best UV absorption in the ultraviolet wavelength region of 210 to 400 nm.

상기와 같은 본 발명의 일 구현예에 따른 광전기 촉매산화용 전극은 전도성 지지체에 광촉매를 포함하는 광촉매층 형성용 조성물을 통상의 슬러리 코팅법으로 도포하고, 건조하여 제조될 수 있다. The photoelectrocatalytic oxidation electrode according to the embodiment of the present invention as described above may be prepared by applying a composition for forming a photocatalyst layer including a photocatalyst on a conductive support by a conventional slurry coating method, and drying it.

상기 광촉매 형성용 조성물은 제1광촉매 및 제2광촉매를 용매중에 분산시켜 제조될 수 있다. 이때 상기 제1광촉매 및 제2광촉매는 앞서 설명한 바와 동일하다. The photocatalyst composition may be prepared by dispersing a first photocatalyst and a second photocatalyst in a solvent. In this case, the first photocatalyst and the second photocatalyst are the same as described above.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 또는 N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매는 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 조성물의 도포성을 고려하여 그 사용량을 적절히 조절할 수 있다.As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The solvent may be included in the amount of the balance, and the amount of the solvent may be appropriately adjusted in consideration of the applicability of the composition.

상기 광촉매 형성용 조성물은 또한 도전제, 바인더, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함할 수 있으며, 상기 도전제 및 바인더는 앞서 설명한 바와 동일하다. The photocatalyst composition may further include one selected from the group consisting of a conductive agent, a binder, and a mixture thereof, and the conductive agent and the binder are the same as described above.

상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The coating process may be a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade or the like depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 도포 공정 후 지지체 위에 도포된 조성물중의 용매를 건조시켜 제거함으로써 본 발명에 따른 전극을 제조할 수 있다.The electrode according to the present invention can be prepared by drying and removing the solvent in the composition applied on the support after the coating step.

다만, 조성물중에 기타 첨가제로서 사용된 유기 물질이 잔류할 경우에는 추가의 소성 공정을 더욱 실시할 수도 있다.However, when the organic substance used as the other additive remains in the composition, an additional firing process may be further performed.

본 발명의 제2 구현예에 따르면 상기 광전기 촉매산화용 전극을 이용한 난분해성 폐수처리 방법을 제공한다.According to a second embodiment of the present invention, a method for treating hardly decomposable wastewater using the photoelectrocatalytic oxidation electrode is provided.

상기 광전기 촉매산화용 전극을 이용한 난분해성 폐수처리 방법은 통상의 방법으로 실시할 수 있으며, 일례로 자외선램프, 정전위기(potentiostat), 교반기 및 총유기탄소 측정기(TOC analyzer)가 구비된 폐수처리장치내에 상기 전극을 설치한 후 폐수를 유입시킴으로써 폐수중의 난분해성 유기 물질을 분해할 수 있다.The non-degradable wastewater treatment method using the photoelectrocatalytic oxidation electrode can be carried out by a conventional method, for example, a wastewater treatment apparatus equipped with an ultraviolet lamp, a potentiostat, a stirrer, and a TOC analyzer. After the electrode is installed in the wastewater, the hardly decomposable organic substance in the wastewater can be decomposed.

본 발명에 따른 광전기 촉매산화용 전극은 폐수중의 포름산 외에 금속 산화물, 금속 유기 화합물, 매염제 등을 분해할 수 있다.The photoelectrocatalytic oxidation electrode according to the present invention can decompose metal oxides, metal organic compounds, mordants, etc. in addition to formic acid in wastewater.

상기한 전극은 산화와 환원 반응으로 OH 라디칼과 수소가 형성되는 메카니즘으로 폐수처리 외에 연료전지의 전극 제조를 위해 응용할 수 있다.The electrode is a mechanism in which OH radicals and hydrogen are formed by oxidation and reduction reactions, and can be applied to the production of electrodes for fuel cells in addition to wastewater treatment.

이하 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

(( 실시예Example 1) One)

티타늄이소프로폭사이드에 대하여 2차 증류수를 첨가하여 티타늄 디옥사이드 입자를 형성하고, 상기 입자에 염산을 첨가하여 TiO2 나노입자를 제조하였다. 제조된 TiO2 나노입자에 H2O를 가한 후 생성되는 침전물은 원심분리기를 이용하여 침전물과 H2O를 분리하였다. 원심분리 후 침전물에 염산을 천천히 교반하면서 가하여 TiO2 나노 입자가 분산된 티타늄 안정화 용액을 제조하였다. 상기 티타늄 안정화 용액에, 무수에탄올(Abs. EtOH)에 충분히 분산된 P25(Degussa P25, Degussa Corp.사제, 아나타제형:루티형의 결정상=70:30 중량비, 비표면적 50 m2g-1)를 첨가한 후 폴리(에틸렌옥사이드)폴리(프로필렌옥사이드)폴리(에틸렌옥사이드)의 삼중블록 공중합체(pluronic P123)를 1-프로판올의 유기용매에 용해시켜 제조한 용액과 혼합하여 광흡수층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때 P123:티타늄이소프로폭사이드:HCl:H2O:1-프로판올은 1:109.7:181:7:1800의 몰비로 사용하였으며, 상기 TiO2와 P25는 2:1의 중량비가 되도록 혼합하였다.Secondary distilled water was added to the titanium isopropoxide to form titanium dioxide particles, and hydrochloric acid was added to the particles to prepare TiO 2 nanoparticles. The precipitate formed after adding H 2 O to the prepared TiO 2 nanoparticles was separated from the precipitate and H 2 O by using a centrifuge. After centrifugation, hydrochloric acid was slowly added to the precipitate while stirring to prepare a titanium stabilizing solution in which TiO 2 nanoparticles were dispersed. In the titanium stabilization solution, P25 (Degussa P25, manufactured by Degussa Corp., anatase type: Luti-type crystalline phase = 70: 30 weight ratio, specific surface area 50 m 2 g −1 ) sufficiently dispersed in anhydrous ethanol (Abs. EtOH) After addition, the triblock copolymer (pluronic P123) of poly (ethylene oxide) poly (propylene oxide) poly (ethylene oxide) was dissolved in an organic solvent of 1-propanol, and mixed with a solution prepared to prepare a light absorption layer-forming composition. It was. At this time, P123: titanium isopropoxide: HCl: H 2 O: 1-propanol was used in a molar ratio of 1: 109.7: 181: 7: 1800, and the TiO 2 and P25 were mixed to a weight ratio of 2: 1.

상기 제조된 광촉매층 형성용 조성물을 1,000rpm으로 1분간 스핀코팅기를 사용하여 ITO 유리 기판에 도포하였다. 광촉매층 형성용 조성물이 도포된 ITO 유리 기판을 40℃, 20% 이하의 습도하에서 24시간 동안 건조하고, 주형으로 사용된 P123의 계면활성제가 제거되도록 건조된 전극을 450℃에서 4시간 동안 소성시켜 전극을 제조하였다. The prepared photocatalyst layer-forming composition was applied to an ITO glass substrate using a spin coater at 1,000 rpm for 1 minute. The ITO glass substrate coated with the composition for forming a photocatalyst layer was dried for 24 hours at 40 ° C. and 20% or less humidity, and the dried electrode was calcined at 450 ° C. for 4 hours to remove the surfactant of P123 used as a template. An electrode was prepared.

(( 비교예Comparative example 1) One)

티타늄이소프로폭사이드에 H2O를 가한 후 생성되는 침전물은 원심분리기를 이용하여 침전물과 H2O를 분리하였다. 원심분리 후 침전물에 염산을 천천히 교반하면서 가하여 TiO2 나노 입자가 분산된 티타늄 안정화 용액을 제조하였다. 주형인 폴리(에틸렌옥사이드)폴리(프로필렌옥사이드)폴리(에틸렌옥사이드)의 삼중블록 공중합체(pluronic P123)을 1-프로판올의 유기용매에 녹인 후 티타늄 안정화 용액과 혼합하고 1시간 정도 교반하여 광흡수층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때 P123:티타늄이소프로폭사이드:HCl:H2O:1-프로판올은 1:109.7:181:7:1800의 몰비로 사용하였다.The precipitate formed after adding H 2 O to titanium isopropoxide was separated from the precipitate and H 2 O by using a centrifuge. After centrifugation, hydrochloric acid was slowly added to the precipitate while stirring to prepare a titanium stabilizing solution in which TiO 2 nanoparticles were dispersed. The triblock copolymer (pluronic P123) of poly (ethylene oxide) poly (propylene oxide) poly (ethylene oxide) as a template was dissolved in an organic solvent of 1-propanol, mixed with a titanium stabilizing solution and stirred for about 1 hour to form a light absorption layer. A composition for preparation was prepared. At this time, P123: titanium isopropoxide: HCl: H 2 O: 1-propanol was used in a molar ratio of 1: 109.7: 181: 7: 1800.

상기 제조된 광촉매층 형성용 조성물을 1,000rpm으로 1분간 스핀코팅기를 사용하여 ITO 유리 기판에 도포하였다. 광촉매층 형성용 조성물이 도포된 ITO 유리 기판을 40℃, 20% 이하의 습도하에서 24시간 동안 건조하고, 주형으로 사용된 P123을 제거하여 TiO2 나노입자내 기공이 형성되도록 건조된 전극을 450℃에서 4시간 동안 소성시켜 전극을 제조하였다. The prepared photocatalyst layer-forming composition was applied to an ITO glass substrate using a spin coater at 1,000 rpm for 1 minute. The ITO glass substrate coated with the composition for forming a photocatalyst layer was dried at 40 ° C. under 20% humidity for 24 hours, and the electrode dried to form pores in the TiO 2 nanoparticles was formed by removing P123 used as a template. The electrode was prepared by baking for 4 hours at.

(물성 평가)(Property evaluation)

상기 실시예 1에서 제조된 전극에 대하여 투과전자 현미경 및 기공측정기를 이용하여 광촉매층내 형성된 기공의 크기를 측정하였다. 그 결과를 도 1a 내지 도 1d에 나타내었다.The size of the pores formed in the photocatalyst layer was measured using a transmission electron microscope and a pore meter with respect to the electrode prepared in Example 1. The results are shown in FIGS. 1A-1D.

상기 기공측정기로는, 톨루엔을 전극에 흡착 또는 탈착시키며 기재에 의한 오차를 기계 자체내에 있는 엘립소미트리(Elliposometry)를 이용하여 보정함으로써 표면적과 전극내의 기공분포도 및 기공의 크기를 측정할 수 있는 엘립소미트리 기공측정기(Elliposometry porousmeter)를 사용하였다.The pore measuring device is an ellipse that can measure the surface area, pore distribution and pore size in the electrode by adsorbing or desorbing toluene to the electrode and correcting the errors caused by the substrate using an elliposometry in the machine itself. A Somitri porosimeter was used.

도 1a는 실시예 1의 전극에 대한 고배율 투과전자현미경 관찰사진이고, 도 1b는 실시예 1의 전극에 대한 저배율 투과전자현미경 관찰사진이다.1A is a high magnification transmission electron microscope observation photograph of the electrode of Example 1, Figure 1B is a low magnification transmission electron microscope observation photograph of the electrode of Example 1.

도 1c는 실시예 1의 전극에 대한 기공 분포를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 1d는 실시예 1의 전극내 기공직경에 따른 분포를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 1c is a graph showing the results of observing the pore distribution of the electrode of Example 1, Figure 1d is a graph showing the results of observing the distribution according to the pore diameter in the electrode of Example 1.

도 1c에서 x축의 P/Po는 흡착되는 물질의 압력(P)을 물질의 포화 증기압(Po)로 나눈 상대압력이고, y축은 흡착량을 부피(cc/g)로 나타낸 것이다.In FIG. 1C, P / Po on the x-axis is a relative pressure obtained by dividing the pressure (P) of the adsorbed material by the saturated vapor pressure (Po) of the material, and the y-axis shows the adsorption amount by volume (cc / g).

도 1d에서 y축은 일정압력으로 기공 안에 질소를 흡착 또는 탈착할 때, 촉매 1g당 흡착 또는 탈착된 질소의 부피(cc/g)을 나타낸 것이다.In FIG. 1D, the y-axis shows the volume (cc / g) of nitrogen adsorbed or desorbed per 1 g of catalyst when the nitrogen is adsorbed or desorbed into the pores at a constant pressure.

도 1a 및 도 1b로부터, 전극의 광촉매층내에 균일한 기공크기를 갖는 메조기공이 골고루 분산되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 1d에 나타난 바와 같이 전극의 광촉매층내 포함된 기공의 크기는 약 4.4 내지 7.5nm 임을 확인할 수 있다. 1A and 1B, it can be seen that mesopores having a uniform pore size are uniformly dispersed in the photocatalyst layer of the electrode. In addition, as shown in Figure 1d it can be seen that the size of the pores included in the photocatalyst layer of the electrode is about 4.4 to 7.5nm.

(( 광전기Photoelectric 촉매 산화 반응 실험) Catalytic oxidation reaction)

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극에 대하여 광전기 촉매 산화 실험을 실시하였다.Photoelectrocatalytic oxidation experiments were performed on the electrodes prepared in Example 1 and Comparative Example 1.

광전기 촉매 산화실험은 하기와 같은 방법으로 실시하였다.Photoelectrocatalytic oxidation experiment was carried out in the following manner.

광전기 촉매 산화 실험 장치에서 반응기는 보로실리케이트(borosilicate) 재질에 직사각형 형태(75 mm Х 100 mm Х 125 mm, 두께 2.5 mm)로 공기 중에 열린 구조이며, 용량은 800mL이다. 광원(light source)으로는 주 파장이 365nm인 UV 램프(black light: Sankyo denki사제, Japan, F15T8BSB, 15W)를 사용하였으며, 반응기의 측면(100 mm Х 125 mm)에서 조사되도록 하였다. 시료에 도달하는 자외선의 세기는 시료와 UV 램프사이의 거리를 이용하여 조절하였고, 자외선의 세기는 복사계(radiometer, San Gabriel사제, CA91778, U.S.A)를 이용하여 측정하였다. 광전기 촉매 산화용 전극을 반응기 중앙에 설치하고, 용액에 잠긴 전극의 면적은 35cm2 이 되도록 하였다. 측정 결과를 도 2에 나타내었다.In the photocatalytic oxidation test apparatus, the reactor is a borosilicate material in rectangular form (75 mm Х 100 mm Х 125 mm, thickness 2.5 mm), which is open in air and has a capacity of 800 mL. As a light source, a UV lamp having a main wavelength of 365 nm (black light: manufactured by Sankyo Denki, Japan, F15T8BSB, 15W) was used, and was irradiated from the side of the reactor (100 mm 125 mm). The intensity of the ultraviolet ray reaching the sample was controlled by using the distance between the sample and the UV lamp, and the intensity of the ultraviolet ray was measured using a radiometer (manufactured by San Gabriel, CA91778, USA). The photoelectrocatalytic oxidation electrode is installed in the center of the reactor, and the electrode submerged in solution has an area of 35 cm 2 It was made to be. The measurement results are shown in FIG.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 전극에 대한 광전기 촉매 산화 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the results of photoelectrocatalytic oxidation experiments on the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 2에 나타난 바와 같이, 메조기공성 TiO2와 P25를 혼합하여 만든 실시예 1의 전극이 메조기공성의 TiO를 이용하여 만든 비교예 1의 전극에 비해 기준파장 365nm에 대한 362nm 파장에서의 UV 광 흡수율이 보다 우수하였다. 이 같은 결과는 실시예 1의 전극의 경우 혼합결정구조를 갖는 P25의 첨가로 광촉매층의 두께가 보다 증가되어 표면의 광촉매의 양이 증가하였기 때문이다.As shown in FIG. 2, the electrode of Example 1 made by mixing mesoporous TiO 2 and P25 was UV light at a wavelength of 362 nm with respect to a reference wavelength of 365 nm compared with the electrode of Comparative Example 1 made using mesoporous TiO. The water absorption was better. This result is because the thickness of the photocatalyst layer was increased by the addition of P25 having a mixed crystal structure in the case of the electrode of Example 1, thereby increasing the amount of photocatalyst on the surface.

(포름산 분해 효과 평가)(Evaluation of Formic Acid Decomposition)

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극에 대하여 광전기 촉매 산화방 법(PEC) 및 광촉매 산화방법(PC)에 의한 포름산 분해 효과를 평가하였다. 포름산 분해 효과는 광반응 시행 후 일정시간 간격으로 샘플을 채취하여 TOC로 분석하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.Formic acid decomposition effects of the photoelectrocatalytic oxidation method (PEC) and the photocatalytic oxidation method (PC) were evaluated for the electrodes prepared in Example 1 and Comparative Example 1. Formic acid decomposition effect was analyzed by TOC by taking samples at regular intervals after the photoreaction. The results are shown in FIGS. 3 and 4.

도 3은 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극에 대하여 시간의 경과에 따른 광전기 촉매 산화방법(PEC) 및 광촉매 산화방법(PC)에 의한 포름산 분해 효과를 평가한 결과를 나타낸 그래프이고,3 is a graph showing the results of evaluating the formic acid decomposition effect by the photoelectrocatalytic oxidation method (PEC) and photocatalytic oxidation method (PC) over time with respect to the electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1,

도 4는 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극의 광전기 촉매 산화방법(PEC) 및 광촉매 산화방법(PC)에 의한 포름산 분해량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the amount of formic acid decomposition by the photoelectrocatalytic oxidation method (PEC) and photocatalytic oxidation method (PC) of the electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1.

도 3에서 Y축의 C/Co는 시간당 샘플링하여 총유기화합물분석기(TOC analyzer)로 분석한 값/초기 시료를 총유기화합물 분석기(TOC analyzer)로 분석한 값을 의미한다.In FIG. 3, C / Co on the Y-axis denotes a value analyzed by a total organic compound analyzer (TOC analyzer), which is sampled per hour and analyzed by a total organic compound analyzer (TOC analyzer).

광반응을 진행되면 포름산이 분해되기 시작한다. 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 따른 전극에 의한 포름산의 분해효율은 10%이며, 실시예 1에 따른 전극에 의한 포름산 분해효율은 57%이었다. 즉 실시예 1의 전극에 의한 포름산 분해효율이 비교예 1의 전극보다 5배 정도 높은 것으로 나타났다. 이는 광활성이 우수한 P25를 첨가하여 표면의 TiO2의 양이 늘어남으로써 포름산의 분해효율이 증가한 결과라 판단된다. 또한 실시예 1 및 비교예 1의 전극 모두 광전기 촉매 산화(PEC)의 분해효율이 광촉매 산화 효율(PC)보다 높은 것으로 조사되었다. 이는 광전기 촉매 산화에 의해 전자와 정공의 재결합 방지가 원활히 일어났기 때문이다. As the photoreaction proceeds, formic acid begins to decompose. 3 and 4, the decomposition efficiency of formic acid by the electrode according to Comparative Example 1 was 10%, the formic acid decomposition efficiency by the electrode according to Example 1 was 57%. That is, formic acid decomposition efficiency by the electrode of Example 1 was found to be about 5 times higher than the electrode of Comparative Example 1. This is believed to be the result of increasing the decomposition efficiency of formic acid by adding P25, which has excellent photoactivity, to increase the amount of TiO 2 on the surface. In addition, it was investigated that the decomposition efficiency of photoelectrocatalytic oxidation (PEC) was higher than the photocatalytic oxidation efficiency (PC) of both the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1. This is because the photoelectrocatalytic oxidation smoothly prevented recombination of electrons and holes.

(( 실시예Example 2)  2)

티타늄이소프로폭사이드에 H2O를 가한 후 생성되는 침전물은 원심분리기를 이용하여 침전물과 H2O를 분리하였다. 원심분리 후 침전물에 염산을 천천히 교반하면서 가하여 TiO2 나노 입자가 분산된 티타늄 안정화 용액을 제조하였다. The precipitate formed after adding H 2 O to titanium isopropoxide was separated from the precipitate and H 2 O by using a centrifuge. After centrifugation, hydrochloric acid was slowly added to the precipitate while stirring to prepare a titanium stabilizing solution in which TiO 2 nanoparticles were dispersed.

P25(Degussa P25, Degussa Corp.사제, 아나타제형:루티형의 결정상=70:30 중량비, 비표면적 50 m2g-1)를 무수에탄올(abs. EtOH)에 충분히 분산시킨 후 P25와 흑연을 중량비로 5:5로 혼합하고, 바인더로서 폴리에틸렌 및 폴리아닐린 에머날딘 염을 더욱 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 이때 바인더의 첨가량은 전체 양의 20중량%가 되도록 하였다. P25 (Degussa P25, manufactured by Degussa Corp., anatase type: Lutie type = 70:30 weight ratio, specific surface area 50 m 2 g -1 ) was sufficiently dispersed in anhydrous ethanol (abs. EtOH), and then P25 and graphite were weight ratio Furnace was mixed at 5: 5, and polyethylene and polyaniline emeraldine salts were further added as a binder to prepare a mixed solution. At this time, the amount of the binder added was 20% by weight of the total amount.

상기 혼합용액을 앞서 제조된 티타늄 안정화 용액에 첨가한 후 폴리(에틸렌옥사이드)폴리(프로필렌옥사이드)폴리(에틸렌옥사이드)의 삼중블록 공중합체(pluronic P123)를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액과 혼합하여 광흡수층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때 P123:티타늄이소프로폭사이드:HCl:H2O:1-프로판올은 1:109.7:181:7:1800의 몰비로 사용하였으며, 상기 TiO2 와 P25는 2:1의 중량비가 되도록 혼합하였다.The mixed solution was added to the titanium stabilized solution prepared above, and then mixed with a solution prepared by dissolving a triblock copolymer (pluronic P123) of poly (ethylene oxide) poly (propylene oxide) poly (ethylene oxide) in an organic solvent. A composition for forming a light absorption layer was prepared. At this time, P123: titanium isopropoxide: HCl: H 2 O: 1-propanol was used in a molar ratio of 1: 109.7: 181: 7: 1800, and the TiO 2 and P25 were mixed to a weight ratio of 2: 1.

상기 광흡수층 형성용 조성물을 호모게나이저(Nissei사제, US-600NCVP)를 사용하여 20분 동안 충분히 분산시키고, 흑연 기판을 상기 혼합용액에 침지시킨 후 130oC 오븐에서 90분 동안 베이킹하여 흑연기판의 지지체에 TiO2 및 흑연의 혼합물이 코팅된 전극을 제조하였다.The composition for forming the light absorption layer was sufficiently dispersed for 20 minutes using a homogenizer (US-600NCVP, manufactured by Nissei), and the graphite substrate was immersed in the mixed solution and then baked in a 130 ° C. oven for 90 minutes to make a graphite substrate. An electrode coated with a mixture of TiO 2 and graphite on a support was prepared.

(( 비교예Comparative example 2) 2)

P25(Degussa P25, Degussa Corp.사제, 비표면적 50 m2g-1)를 무수 에탄올에서 2시간 이상 초음파 처리하여 충분히 분산시킨 후 흑연(timcal grafite & carbon, KS6)과 바인더로서 폴리에틸렌 및 폴리아닐린 에머랄딘 염을 넣고 24시간 상온에서 교반하였다. 그 후, 55oC 오븐에서 24시간 이상 건조시켜 용매를 증발시켜 TiO2-흑연 파우더를 얻었다. 제조된 TiO2-흑연 파우더를 100 mmХ50 mm 크기의 성형기에 넣고 3ton의 압력으로 성형한 후 130oC에서 90분 동안 베이킹하여 전극을 제조하였다. P25 (Degussa P25, manufactured by Degussa Corp., specific surface area 50 m 2 g -1 ) was sonicated in anhydrous ethanol for at least 2 hours, and then dispersed in graphite (timcal grafite & carbon, KS6) and polyethylene and polyaniline emeraldine as binders. The salt was added and stirred at room temperature for 24 hours. Thereafter, the mixture was dried for at least 24 hours in a 55 ° C. oven to evaporate the solvent to obtain a TiO 2 -graphite powder. The prepared TiO 2 -graphite powder was put in a molding machine having a size of 100 mm Х 50 mm and molded at a pressure of 3 ton, and then baked at 130 ° C. for 90 minutes to prepare an electrode.

(포름산 분해 효과 평가)(Evaluation of Formic Acid Decomposition)

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전극에 대하여 앞서와 동일한 방법으로 실시하여 포름산 분해 효과를 평가하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The electrode prepared in Example 1, Example 2 and Comparative Example 2 was carried out in the same manner as described above to evaluate the formic acid decomposition effect, the results are shown in FIG.

도 5는 상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전극에 대하여 광전기 촉매 산화방법 및 광촉매 산화방법에 의한 포름산 분해 효과를 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of evaluating the formic acid decomposition effect by the photoelectrocatalytic oxidation method and the photocatalytic oxidation method for the electrodes prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 2.

도 5에 나타난 바와 같이, 비교예 2에 따른 전극은 50% 미만의 포름산 분해 효율을 나타낸 반면, 실시예 1 및 2에 따른 전극은 모두 55% 이상의 포름산 분해효율을 나타내었다. 특히 실시예 2의 전극은 흑연 지지체를 사용함으로써 비교예 2의 전극에 비해 우수한 전도도 및 강도를 나타낼 수 있어 더욱 우수한 포름산 분해 효율을 나타낸 것으로 생각된다. As shown in FIG. 5, the electrode according to Comparative Example 2 showed a formic acid decomposition efficiency of less than 50%, while the electrodes according to Examples 1 and 2 both exhibited a formic acid decomposition efficiency of 55% or more. In particular, it is considered that the electrode of Example 2 can exhibit excellent conductivity and strength compared to the electrode of Comparative Example 2 by using a graphite support, and thus exhibits more excellent formic acid decomposition efficiency.

세 전극 모두에 있어서 광전기 촉매 산화반응이 광촉매 산화반응보다 포름산 분해효율이 우수였으나, 실시예 1 및 2에 따른 전극이 비교예 2에 따른 전극에 비해 보다 우수한 광전기 촉매 산화 반응을 나타내었다. 이는 광전기 촉매 산화반응의 경우 여기된 전자가 정공과 재결합되는 것을 방지하여 광산화(photooxidation) 및 광환원(photoreduction)이 원활하게 일어나기 때문이다. The photoelectrocatalytic oxidation of the three electrodes showed better formic acid decomposition efficiency than the photocatalytic oxidation, but the electrodes of Examples 1 and 2 showed better photoelectrocatalytic oxidation than the electrodes of Comparative Example 2. This is because photooxidation and photoreduction occur smoothly by preventing the recombination of excited electrons with holes in the photoelectrocatalytic oxidation reaction.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various forms, and a person skilled in the art to which the present invention pertains has another specific form without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that the present invention may be practiced as. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

도 1a는 실시예 1의 전극에 대한 고배율 투과전자현미경 관찰사진이다.Figure 1a is a high magnification transmission electron microscope observation photograph of the electrode of Example 1.

도 1b는 실시예 1의 전극에 대한 저배율 투과전자현미경 관찰사진이다.Figure 1b is a low magnification transmission electron microscope observation photograph of the electrode of Example 1.

도 1c는 실시예 1의 전극에 대한 기공 분포를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 1c is a graph showing the results of observing the pore distribution for the electrode of Example 1.

도 1d는 실시예 1의 전극내 기공 직경에 따른 분포를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 1d is a graph showing the results of observing the distribution according to the pore diameter in the electrode of Example 1.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 전극에 대한 광전기 촉매 산화 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the results of photoelectrocatalytic oxidation experiments on the electrodes of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극에 대하여 시간의 경과에 따른 광전기 촉매 산화방법(PEC) 및 광촉매 산화방법(PC)에 의한 포름산 분해 효과를 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the results of evaluating the formic acid decomposition effect by the photoelectrocatalytic oxidation method (PEC) and photocatalytic oxidation method (PC) over time with respect to the electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1.

도 4는 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전극의 광전기 촉매 산화방법(PEC) 및 광촉매 산화방법(PC)에 의한 포름산 분해량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the amount of formic acid decomposition by the photoelectrocatalytic oxidation method (PEC) and photocatalytic oxidation method (PC) of the electrode prepared in Example 1 and Comparative Example 1.

도 5는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 전극에 대하여 광전기 촉매 산화방법 및 광촉매 산화방법에 의한 포름산 분해 효과를 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of evaluating the formic acid decomposition effect by the photoelectrocatalytic oxidation method and the photocatalytic oxidation method for the electrodes prepared in Examples 1, 2 and Comparative Example 2.

Claims (12)

전도성 지지체; 및Conductive support; And 상기 지지체 위에 형성되는 광촉매층을 포함하며,It includes a photocatalyst layer formed on the support, 상기 광촉매층은 메조포러스의 제1광촉매, 및 아나타제형:루틸형의 결정구조를 80:20 내지 60:40의 중량비로 포함하는 혼합결정형의 TiO2 제2광촉매를 포함하는 난분해성 폐수처리를 위한 광전기 촉매산화용 전극. The photocatalyst layer is made of mesoporous An electrode for photocatalytic oxidation for hardly decomposable wastewater treatment comprising a first photocatalyst and a mixed crystal crystalline TiO 2 second photocatalyst comprising an anatase type: rutile type crystal structure in a weight ratio of 80:20 to 60:40. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 지지체는 흑연, 카본나노튜브, 인듐틴옥사이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 광전기 촉매산화용 전극. The support is a photoelectric catalytic oxidation electrode that is selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes, indium tin oxide and mixtures thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1광촉매는 제2광촉매에 의해 표면처리된 광전기 촉매산화용 전극. The first photocatalyst is a photoelectric catalytic oxidation electrode surface-treated by a second photocatalyst. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1광촉매는 4.4 내지 7.5nm의 기공 직경을 갖는 메조 기공을 포함하는 광전기 촉매산화용 전극. The first photocatalyst is a photovoltaic catalytic oxidation electrode comprising mesopores having a pore diameter of 4.4 to 7.5nm. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1광촉매는 메조다공성의 TiO2인 광전기 촉매산화용 전극. The first photocatalyst is a mesoporous TiO 2 electrode for photocatalytic oxidation. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1광촉매와 제2광촉매는 광촉매층내 2:1 내지 1:1의 중량비로 포함되는 광전기 촉매산화용 전극. The first photocatalyst and the second photocatalyst are in the photocatalyst layer is included in the photocatalyst layer in a weight ratio of 2: 1 to 1: 1. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 광촉매층은 도전제, 바인더, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 더 포함하는 것인 광전기 촉매산화용 전극. The photocatalyst layer is a photoelectrocatalytic oxidation electrode that further comprises selected from the group consisting of a conductive agent, a binder, and mixtures thereof. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 도전제는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 금속 분말, 금속 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 광전기 촉매산화용 전극. The conductive agent is selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder, metal fibers and mixtures thereof. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 도전제는 광촉매 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것인 광전기 촉매산화용 전극. Wherein the conductive agent is 10 to 1000 parts by weight based on 100 parts by weight of the photocatalyst, the electrode for catalytic oxidation. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 바인더는 수용성 고분자, 소수성 고분자, 전도성 고분자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 광전기 촉매산화용 전극. Wherein the binder is selected from the group consisting of water-soluble polymers, hydrophobic polymers, conductive polymers and mixtures thereof. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 바인더는 광촉매층 총 중량에 대하여 20중량%이하로 포함되는 광전기 촉매산화용 전극. The binder is a photoelectrocatalytic oxidation electrode is included in less than 20% by weight based on the total weight of the photocatalyst layer. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 광전기 촉매산화용 전극을 이용한 난분해성 폐수처리 방법.A method for treating hardly decomposable wastewater using the photoelectrocatalytic oxidation electrode according to any one of claims 1 to 11.
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