KR20130000667A - 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화 티탄의 분산성 및 결정 성장의 정도가 광촉매 졸의 pH, 반응 온도, 반응 압력 등과 밀접한 관계가 있다는 점에 착안하여 각각의 조건을 변화시키고, 티타늄 산화물을 수열합성반응시켜 광활성과 안정성 및 분산력이 우수한 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있으며, 또한, 금속 원자를 도핑하여 광효율을 향상시키고, 비표면적을 증가시켜 광활성화를 향상시킨 고효율 극미세 구조의 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 a) 부피 % 1:10으로 티타늄이소프록사이드(TTIP)와 유기용매를 혼합하여 TiO2 화합물을 형성하는 단계; b) 상기 TiO2 화합물에 물과 1:1의 비율로 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성하는 단계; c) 상기 졸 상태의 TiO2 화합물을 수열합성반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리하는 단계; d) 상기 TiO2 광촉매를 원심 분리하여 액상을 제거하고 세척하는 단계; e) 세척된 상기 TiO2 광촉매를 건조하는 단계; 및 f) 건조된 상기 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 TiO2 광촉매 분말을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 광촉매 제조방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 수열합성법을 이용하여 아나타제형 결정 구조를 갖는 이산화티탄 광촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.
광촉매 작용은 여러 가지의 반도체 물질에서 확인되고 있으며, 현재 가장 널리 사용되는 있는 것은 이산화티탄(TiO2)이다. 이 이산화티탄은 태양과 또는 적당한 인공광에 함유되어 있는 자외선에 의해서 충분히 촉매 활성을 나타내고, 화화적으로 안정하며, 환경 및 인체에 무해하고, 가격이 저렴하여 경제적이다라는 이유로 널리 사용되고 있다.
이러한 이산화티탄에는 아나타제형(ANATASE TYPE), 루틸형(RUTILE TYPE), 부루카이트형(BROOKITE TYPE)의 3가지 종류의 결정 구조가 있다. 상기 루틸형 이산화티탄은 공업용 도료 및 화장품 등에 널리 사용되고 있으며, 광촉매로서 적합한 것은 상가 아나타제형 결정 구조를 갖는 이산화티탄이다.
상기 아나타제형 이산화티탄은 찌든 때의 분해, 탈취, 수중 또는 공기 중의 오염물질의 분해 및 제거 등의 기능을 가지고 있어 주로 환경 정화 분야에 사용되고 있다.
상기와 같은 이산화티탄 광촉매를 제조하는 대표적인 방법으로는 염화티탄이나 황산티탄 등의 무기티탄을 가수분해하여 염기로 중화한 다음, 수용성 금속염을 일정 중량비로 첨가하고 고온 소성하여 입도가 작고 비표면적이 큰 아나타제형 산화티탄을 얻어내는 방법을 예로 들 수 있다.
광촉매 활성의 측면에서 보면 비표면적이 큰 분말이 우수하지만 이를 효과적으로 활용할 수 있는 방법은 그리 많지 않다. 기존의 졸겔법에 의한 가수분해 방법으로 제조한 광촉매는 광활성과 안정성을 높이는데 한계가 있고, 결정 성장 및 분산성을 유지시키는데도 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 산화 티탄의 분산성 및 결정 성장의 정도가 광촉매 졸의 pH, 반응 온도, 반응 압력 등과 밀접한 관계가 있다는 점에 착안하여 각각의 조건을 변화시키고, 티타늄 산화물을 수열합성반응시켜 광활성과 안정성 및 분산력이 우수한 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금속 원자를 도핑하여 광효율을 향상시키고, 비표면적을 증가시켜 광활성화를 향상시킨 고효율 극미세 구조의 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법은, a) 부피 % 1:10으로 티타늄이소프록사이드(TTIP)와 유기용매를 혼합하여 TiO2 화합물을 형성하는 단계; b) 상기 TiO2 화합물에 물과 1:1의 비율로 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성하는 단계; c) 상기 졸 상태의 TiO2 화합물을 수열합성반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리하는 단계; d) 상기 TiO2 광촉매를 원심 분리하여 액상을 제거하고 세척하는 단계; e) 세척된 상기 TiO2 광촉매를 건조하는 단계; 및 f) 건조된 상기 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 TiO2 광촉매 분말을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 a) 단계의 유기용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 이용할 수 있으며, 더욱 바람직하게 상기 유기용매는 이소프로필 알콜(IPA)을 이용할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계는 용기에 TTIP와 유기용매를 넣고 10분간 균일하게 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 b) 단계의 산용액은 질산(HNO3), 또는 염산(HCl)과 질산(HNO3)을 3:1의 부피비로 혼합한 왕수를 사용할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계의 산 용액은 질산(HNO3)에 은(Ag)을 녹여 최종 농도가 20,000ppm으로 된 은-질산 용액을 사용할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는 졸 상태의 TiO2 화합물을 테프론 용기에 밀봉한 후 수열합성기에서 200℃의 온도로 6시간 동안 반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리해 낼 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는 1500rpm에서 2시간 30분 동안 원심 분리하여 액상을 제거한 후, 에탄올을 투입하고 상기와 같은 조건으로 원심 분리를 2회 더 실시하여 세척하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 e) 단계는 건조기에서 40℃의 온도로 12시간 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 산화 티탄의 분산성 및 결정 성장의 정도가 광촉매 졸의 pH, 반응 온도, 반응 압력 등과 밀접한 관계가 있다는 점에 착안하여 각각의 조건을 변화시킴과 아울러 티타늄 산화물을 수열합성법을 이용하여 아나타제형 결정구조를 갖는 이산화티탄 광촉매를 분리해 냄으로써 광활성과 안정성 및 분산력이 우수한 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, Ag와 같은 금속 원자가 전이 금속으로 도핑됨으로써 광효율이 향상되고 비표면적이 증가되며, 이로 인해 광활성화가 개선되는 고효율 극미세 구조의 이산화티탄 광촉매를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조예에 의한 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법의 공정도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 질산을 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 왕수를 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 의한 Ag-질산 용액을 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 5는 도 4에 나타낸 실시예 3에서 광촉매 합성시 Ag이 전이금속으로 도핑되는지 여부를 확인하기 위해 광촉매 생성 후 남은 용액의 농도를 측정해서 분석한 Ag 농도 변화 그래프,
도 6은 도 2에 나타낸 실시예 1에 의해 제조된 이산화티탄 광촉매의 활성 특성을 살펴보기 위해 실험한 결과에 대한 사진, 그리고,
도 7은 도 4에 나타낸 실시예 3에 의해 제조된 Ag-TiO2 광촉매의 활성 특성을 살펴보기 위해 실험한 결과에 대한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 질산을 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 왕수를 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 의한 Ag-질산 용액을 이용하여 제조한 이산화티탄 광촉매 입자의 입도 분포도와 입자의 결정성을 살펴보기 위한 SEM-EDX 영상과 결정 구조를 살펴보기 위한 X-ray 분석도,
도 5는 도 4에 나타낸 실시예 3에서 광촉매 합성시 Ag이 전이금속으로 도핑되는지 여부를 확인하기 위해 광촉매 생성 후 남은 용액의 농도를 측정해서 분석한 Ag 농도 변화 그래프,
도 6은 도 2에 나타낸 실시예 1에 의해 제조된 이산화티탄 광촉매의 활성 특성을 살펴보기 위해 실험한 결과에 대한 사진, 그리고,
도 7은 도 4에 나타낸 실시예 3에 의해 제조된 Ag-TiO2 광촉매의 활성 특성을 살펴보기 위해 실험한 결과에 대한 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 제조예에 의한 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법의 공정도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법은, 부피 % 1:10으로 티타늄이소프록사이드(TTIP)와 유기용매를 혼합하여 TiO2 화합물을 형성하는 단계(S110), 상기 TiO2 화합물에 물과 1:1의 비율로 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성하는 단계(S120), 상기 졸 상태의 TiO2 화합물을 수열합성반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리하는 단계(S130), 상기 TiO2 광촉매를 원심 분리하여 액상을 제거하고 세척하는 단계(S140), 세척된 상기 TiO2 광촉매를 건조하는 단계(S150) 및 건조된 상기 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 TiO2 광촉매 분말을 형성하는 단계(S160)를 포함한다.
상기 단계 S110은 전구물질의 수화반응을 유도하여 구조 유도된 TiO2 화합물을 형성하는 과정이다. 구체적으로 이산화티탄 광촉매의 전구물질로서 티타늄이소프록사이드(TTIP:Titaniumtetraisopropoxide, 이하 'TTIP'로 약칭한다)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 TTIP는 전구물질로 많이 사용되는 다른 물질인 TiCl4 나 TiSO4에 비하여 유독기체를 발생하지 않아 안전하며 반응속도의 제어가 용이한 장점이 있다.
또한, 상기 단계 S110의 유기용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 종류인 알콜류로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 사용할 수 있다. 특히 유기용매로서, 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol:이하 'IPA'로 약칭한다)을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 증류수를 첨가하여 중합반응을 유도할 때 반응속도의 제어가 용이하여 제조 입자의 기공 크기를 제어 가능하기 때문이다.
상기 단계 S110은 전구물질인 TTIP와 유기용매인 IPA를 1:10의 부피 비율로 용기(비이커)에 넣고 약 10분간 균일하게 혼합하는 과정으로 수행된다.
상기 단계 S120은 상기 단계 S110에 의해 형성된 TiO2 화합물에 물과 1:1의 비율로 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성하는 단계이다. 이 단계에서 사용되는 산용액으로는 질산(HNO3)용액, 염산(HCl)과 질산(HNO3)을 부피비 3:1로 혼합한 왕수, 또는 상기 질산(HNO3)에 Ag 금속을 녹여 최종 농도가 20,000ppm이 되도록 만든 Ag-HNO3 용액을 이용할 수 있다. 상기 Ag-HNO3 용액을 사용하면 제조되는 이산화티탄 분말에 전이금속, 즉 Ag가 도핑됨으로써 광효율 및 비표면적이 증가된 고효율 극미세 구조의 광촉매를 제조할 수 있다.
상기 단계 S130은 상기 단계 S120에 의해 형성된 졸 상태의 TiO2 화합물을 수열합성반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리하는 단계이다.
이전 단계에서 제조된 TiO2 화합물에 존재하는 TiO2 광촉매의 경우 대부분 무정질의 결정을 나타내게 되는데, 상기 단계 S130은 수열합성기를 이용하여 광촉매의 결정성을 유도함으로써 광효율을 증대시키기 위한 과정이다. 구체적으로, 무정질의 결정을 가장 활성이 우수하다고 알려져 있는 아나타제 결정으로의 상전이를 유도하기 위해서 상기 이전 단계에서 제조된 TiO2 화합물을 고온의 수열합성반응기에서 약 6시간 정도 유지시킨다.
이 경우, 반응 온도는 200℃를 유지시켜 주는 것이 바람직하다. 반응 온도가 200℃보다 낮을 경우 무정질의 이산화티탄 광촉매가 결정상으로 상전이 하기에 충분한 에너지가 공급되지 못하기 때문에 바람직하지 않고, 온도가 200℃보다 높을 경우 에너지가 너무 커서 결정상이 루타일로 형성되어 버리는 문제가 있기 때문이다.
상기 단계 S140은 상기 단계 S130에 의해 아나타제 결정 구조로 분리된 TiO2 광촉매를 원심 분리하여 액상을 제거하고 세척하는 단계이다. 이 단계는 상기 TiO2 광촉매 현탁액을 원심분리기에 넣고 약 2시간 30분 동안 1500rpm으로 회전시켜 용액을 분리한 후 상등액을 버린다. 그리고, 세척을 위해 상기와 같이 1차 원심분리된 TiO2 광촉매에 에탄올을 일정량 넣고 상기와 같은 조건으로 원심 분리를 2회 더 실시하여 세척한다.
상기 단계 S150은 세척된 상기 TiO2 광촉매를 건조하는 단계로서, TiO2 광촉매를 건조기에 넣고 약 40℃의 온도로 약 12시간 정도 건조한다. 그런 다음 건조된 상기 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 TiO2 광촉매 분말을 형성한다(S160).
이하, 본 발명의 바람직한 제조예 및 실시예들을 통하여 상세히 살펴본다. 하기 제조예 및 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
<제조예:수열합성법에 의한 TiO2 광촉매의 제조>
먼저, 부피 % 1:10으로 TTIP 2mL과 IPA를 비이커에 넣고 약 10분간 균일하게 혼합하고, 상기 혼합물에 물과 1:1 비율의 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성한다. 그리고, 테프론 용기에 상기 TiO2 화합물을 넣어 밀봉한 후 수열합성기에서 200℃의 온도로 6시간 동안 반응시키고, 이 현탁액을 원심분리기에 넣고 약 2시간 30분 동안 1500rpm으로 회전시켜 용액을 분리한 후 상등액을 버린다. 다시 상기 TiO2 화합물에 에탄올을 일정량 넣고 상기와 같은 조건으로 원심 분리를 2회 더 실시하여 세척한 다음, 최종 원심 분리된 TiO2 화합물을 건조기에 넣고 40℃의 온도로 12시간 건조하고, 성형된 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 광촉매 분말을 생성한다.
<실시예 1:질산을 이용한 TiO2 광촉매 제조>
상기 제조예의 산용액으로 질산(HNO3)을 사용하여 TiO2 광촉매를 제조하였다. 수열합성법(200℃, 6시간)을 이용하여 생성한 이산화티탄 광촉매를 분석한 결과 도 2에 나타낸 바와 같이, 광촉매의 형태는 효율성이 뛰어난 아나타제 패턴을 띠고 있으며, 광촉매 파티클의 평균 크기는 8.7nm 이고, 생성율은 31% 내외였다. 광촉매의 활성도는 313대를 보이고, 피크가 좁고 날카롭게 형성된 것으로 보아 결정성 물질로 판단되었다. 이를 표로 정리하였다.
<실시예 2:왕수를 이용한 TiO2 광촉매 제조>
상기 제조예의 산용액으로 왕수(염산(HCl)과 질산(HNO3)의 부피비 3:1)를 사용하여 TiO2 광촉매를 제조하였다. 수열합성법(200℃, 6시간)을 이용하여 생성한 이산화티탄 광촉매를 분석한 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 광촉매의 형태는 효율성이 뛰어난 아나타제 패턴을 띠고 있으며, 광촉매 파티클의 크기는 9.1nm 이고, 광촉매 생성율은 60% 내외였다. 질산으로 합성한 광촉매에 비하여 생성율은 2배 정도 높았으며, 파티클의 응집력이 높은 것으로 확인되었다. 이를 표로 정리하였다.
<실시예 3:Ag-TiO2 접합구조의 광촉매 제조>
상기 제조예의 TiO2 광촉매 제조방법을 적용하되, 질산에 Ag+ 금속을 녹여 최종 농도가 20,000ppm이 되도록 하여 광촉매를 제조하였다.
이 실시예 3은 금속원자를 도핑하여 광효율을 증가시키고, 비표면적을 증가시켜 광활성화를 향상시킨 고효율 극미세 구조의 이산화티탄 광촉매를 제조하기 위한 방법으로, 광촉매의 에너지 밴드 갭이 가시광선대역의 파장에서도 빛을 흡수하여 광촉매로 작용할 수 있는 전이금속이 도핑되면 가시광선대역 파장(약 380nm ~ 770nm)도 흡수할 수 있는 에너지 밴드 갭을 가짐으로써, 광활성도와 광효율 측면에서 매우 우수한 특성을 갖는다.
일반적인 이산화티타늄 분말의 경우에는, 300nm의 자외선 파장에 해당하는 빛을 주로 흡수하며, 가시광선대역(380nm ~ 770nm)에서는 거의 흡수하지 않는다. 전이 금속이 도핑된 이산화티탄늄 분말의 경우에는, 가시광선의 파장도 상당한 양으로 흡수한다. 이와 같이, 전이 금속이 도핑된 이산화티탄늄 분말은 태양광의 가시광선대역의 파장에서도 빛을 흡수하여 반응할 수 있으므로, 광효율이 획기적으로 개선될 것으로 예측할 수 있다.
본 실시예에서는 수열합성법(200℃, 6시간)을 이용하여 생성한 광촉매를 분석한 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 광촉매의 형태는 효율성이 뛰어난 아나타제 패턴을 띠고 있으며, 광촉매 파티클의 평균 크기는 7.2nm 이고, 광촉매의 생성율은 34% 내외였다. 이를 표로 정리하였다.
<실험예 1;Ag+ 도핑 여부 확인>
상기 실시예 3에 사용된 Ag-HNO3의 초기 농도는 20,000ppm 이며, 광촉매 합성시 Ag+이 전이 금속으로 도핑되는지 여부를 확인하기 위해 광촉매 생성 후 남은 여액(세척액 포함)을 모아 그 농도를 측정해 보았으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, TiO2 합성전에는 농도가 20,000ppm 이었으나, TiO2 합성후 농도는 2,550ppm으로 변화되었으며, 상기와 같은 변화에 의해 광촉매 합성시 Ag+이 전이 금속으로 약 87% 정도가 도핑되었음을 확인할 수 있었다.
<실험예 2;광촉매 활성 측정>
(1) TiO2 광촉매
상기 제조예의 산용액으로 질산을 사용하여 조제한 TiO2 광촉매를 이용하여 실험하였다.
메틸렌블루가 광촉매에 의해 Cl- 이온이 환원 탈색하는 원리를 이용하여 광촉매에 메틸렌블루를 떨어뜨린 후 자외선을 조사하여 색소가 환원 탈색하는 변화 과정을 살펴보는 방법으로, 광촉매의 활성도가 높고 결정구조가 아나타제 형태일 수록 메틸렌블루를 탈색하는 환원력이 증가한다. 메틸렌블루의 환원 소요시간을 알아보기 위하여 UV/VIS 스펙트로포토미터(Spectrophotometer)를 이용하여 시간별 메틸렌블루의 흡광도를 측정하여 광촉매에 의한 메틸렌블루의 환원 소요 능력을 알아 볼 수 있다.
본 실험에서 광촉매(에탄올 첨가 70%)를 유리샤레에 도포시키고 건조 후, 동일한 양의 메틸렌브루(10mg/L)를 떨어뜨린 후 자외선(1.0mw/㎠)을 1시간 동안 조사한 후 색의 변화를 관찰하는 실험을 하였다.
1시간 동안 자외선을 조사한 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 조사 전에 비해 메틸렌블루의 색이 엷어진 것을 육안으로 확인 가능하였다.
(2) Ag-TiO2 광촉매
상기 제조예의 TiO2 광촉매 제조방법을 적용하여 질산에 Ag 금속을 녹여 최종 농도가 20,000ppm이 되도록 하여 제조된 광촉매를 이용하여 실험하였다.
Ag+가 첨가된 광촉매(에탄올 첨가 70%)를 유리샤레에 도포시키고 건조 후 동일한 양의 메틸렌블루(10mg/L)를 떨어뜨린 후 자외선(1.0mw/㎠)을 1시간 동안 조사한 후 색의 변화를 관찰하는 실험을 하였다.
1시간 동안 자외선을 조사한 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 조사 전에 비해 메틸렌블루의 색이 흑갈색으로 변화된 것을 육안으로 확인 가능하였다. 이는 첨가된 Ag+에 의해 색이 변한 것으로 볼 수 있다.
Ag+에 의해 메틸렌블루의 색이 변하는 것은 메틸렌블루의 산화, 환원 분자 구조에 따르면 메틸렌블루가 산화되기 이전에는 푸른색을 띠고 있으나, 산화가 되면 염소 성분이 떨어져 나오면서 색이 푸른색에서 무색으로 변색된다. 이 때, 떨어져 나온 염소 성분과 Ag+가 반응하게 되면 염화은 상태로 침전하게 되고, 염화은이 콜로이드 상태로 존재할 때 점차 붉은색에서 갈색, 검정색으로 변하게 되는 것이다.
<본 발명에 의해 제조된 이산화티탄 광촉매의 성능 테스트>
본 출원인은 상술한 바와 같은 방법에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 뛰어난 성능을 객관적으로 확인하기 위하여, 한국화학융합시험연구원에 탈취 테스트 및 인(P) 정화 능력 테스트를 의뢰하여 시험결과보고서를 받은바 있으며, 이하 상기 시험결과보고서에 기초하여 본 발명에 대한 시험 결과를 간단히 설명한다.
(1) 탈취 테스트
탈취 테스트는 본 출원인이 제공한 TiO2를 코팅한 정화 여재, 즉 본 발명에 의한 TiO2의 폼알데하이드 가스에 대한 제거 능력을 시험한 것이다(시험번호 : TBH-000773, 시험기간 2011. 05. 31 ~ 2011. 06. 13).
1)시험조건
실내온도 : 20 ~ 30℃
상대습도 : 25 ~ 65%
시료 형태 및 모양 : 구형
시료투입량 : 36EA(개당 약 7.5~8.8g)
시험용 용기 : 10L 테들라백
시험기기 : 가스검지기(GV-100S, Gastec Co. Japan)
2)시험방법
① 10 L 테들라백 안에 'TiO2를 코팅한 정화 여재' 시료 36개를 넣은 후 밀봉한다.
② 테들라백 안에 폼알데하이드 표준 가스를 주입하여 내부의 농도가 폼알데하이드 20ppm이 되도록 가스검지기로 측정하여 이를 초기 농도로 하고 테들라백을 자외선 램프가 부착된 챔버 안에 넣는다.
③ 챔버의 뚜껑을 닫고 자외선 램프를 온으로 작동시켜 초기, 1시간, 2시간, 4시간, 6시간, 24시간 경과 시점의 폼알데하이드 농도를 가스텍으로 정확히 측정한다.
④ 동일하게 2회 반복 시험한다.
⑤ 'TiO2를 코팅한 정화 여재' 시료를 투입하지 않고, 동일하게 시험하여 바탕 시험으로 한다.
3)시험결과
| 시험항목 |
시간 |
단위 |
결과 | |||
| Blank | x1 | x2 | 평균 | |||
| 폼알데하이드 |
초기 | ppm |
20 | 20 | 29 | 20 |
| 1시간 후 | 20 | 3 | 3 | 3 | ||
| 2시간 후 | 20 | 1 | 1 | 1 | ||
| 4시간 후 | 20 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
| 6시간 후 | 20 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
| 24시간 후 | 19 | 1미만 | 1미만 | 1미만 | ||
상기 [표 1]과 같이, 본 발명에 의한 TiO2가 코팅된 담체는 초기 농도 20ppm에서 4시간 후 1ppm 미만으로 나타났으나, 바탕시험은 초기 농도 20ppm에서 24시간 후에도 19ppm으로 큰 변화가 없었다.
(2) 인(P) 정화 능력 테스트
인 정화 능력 테스트는 자외선 조사기를 이용하여 본 출원인이 제공한 시료(TiO2가 코팅된 담체)에 자외선을 조사시킨 후 시간에 따른 총인(T-P)의 제거율을 측정한 것이다(시험번호 : TBH-000742, 시험기간 : 2011. 05. 19 ~ 2011. 06. 14).
1)시험조건 및 재료
온도 : 23℃
습도 : 56%
자외선조사기 : UV-B Ramp가 부착된 W 0.3(m)×L 0.3(m)×H 0.4(m) 불투명 BOX)
수질정화여과재 : 시료 A(No Coating Bead), 시료 B(TiO2 Coating Beab)
총인 표준용액 : KH2PO4 0.439g을 물에 녹여 100mL로 한다(1000 mg/L).
총인 시험용액 : 초인 표준용액을 200배 회석하여 50mg/L로 조제한 시료를 시험용액으로 한다.
2)분석방법
총인 시험용액 20mL당 1개의 비율로 시료 A, 시료 B를 각각 5개씩 투명한 메스플라스크에 채웠으며, 바탕시험을 위하여 여과재 없는 시험용액(공시료) 100mL를 준비하였다.
자외선 조사기 안에 시료 A, 시료 B, 공시료가 들어있는 시험용액으로 채워진 메스플라스크를 넣은 후, 시간(0hr, 1hr, 3hr, 6hr, 24hr)에 따른 시험용액의 총인 농도변화를 확인하였다.
3)분석결과
| 시료 A : NO COATING BEAD | ||
| No. | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 1 | 3.970 |
| 2 | 3 | 2.620 |
| 3 | 6 | 1.520 |
| 4 | 12 | 0.770 |
| 제거율(%) | 84.5 | |
| 시료 B : TiO2 COATING BEAD | ||
| No. | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 1 | 3.135 |
| 2 | 3 | 1.890 |
| 3 | 6 | 1.390 |
| 4 | 12 | 0.470 |
| 제거율(%) | 90.5 | |
| 공시험용액 | ||
| No | Time(h) | T-P(mg/L) |
| 0 | 0 | 4.970 |
| 1 | 24 | 4.900 |
상기 [표 2] 내지 [표 4]에 나타낸 바와 같이, 시료 A는 24시간 동안 자외선을 조사한 결과 84.5%의 총인 제거율을 보였으나, 시료 B는 24시간 자외선을 조사한 결과 90.5%의 제거율을 보였다. 한편, 공시험용액의 경우는 24시간 동안 자외선을 조사하여도 총인 농도는 거의 변화가 없었다.
이상에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 본질적 특성들을 벗어남이 없이 본 발명이 다른 특정 형태들로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서 나타내어진 실시예들은 모든 관점에서 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 하며, 따라서 당업자들에게 자명한 모든 변경들은 그 안에 포함되는 것이다.
Claims (10)
- a) 부피 % 1:10으로 티타늄이소프록사이드(TTIP)와 유기용매를 혼합하여 TiO2 화합물을 형성하는 단계;
b) 상기 TiO2 화합물에 물과 1:1의 비율로 산용액을 투입하고 교반하여 졸 상태의 TiO2 화합물을 형성하는 단계;
c) 상기 졸 상태의 TiO2 화합물을 수열합성반응시켜 아나타제형 결정 구조를 갖는 TiO2 광촉매를 분리하는 단계;
d) 상기 TiO2 광촉매를 원심 분리하여 액상을 제거하고 세척하는 단계;
e) 세척된 상기 TiO2 광촉매를 건조하는 단계; 및
f) 건조된 상기 TiO2 광촉매를 분쇄하여 아나타제형 TiO2 광촉매 분말을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 유기용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 유기용매는 이소프로필 알콜(IPA)인 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계는 용기에 TTIP와 유기용매를 넣고 10분간 균일하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 산용액은 질산(HNO3), 또는 염산(HCl)과 질산(HNO3)을 3:1의 부피비로 혼합한 왕수를 사용하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 산 용액은 질산(HNO3)에 은(Ag)을 녹여 최종 농도가 20,000ppm으로 된 은-질산 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 c) 단계는 졸 상태의 TiO2 화합물을 테프론 용기에 밀봉한 후 수열합성기에서 200℃의 온도로 6시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 d) 단계는 1500rpm에서 2시간 30분 동안 원심 분리하여 액상을 제거한 후, 에탄올을 투입하여 상기와 같은 조건으로 원심 분리를 2회 실시하여 세척하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 e) 단계는 건조기에서 40℃의 온도로 12시간 실시하는 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020110061328A KR20130000667A (ko) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110061328A KR20130000667A (ko) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130000667A true KR20130000667A (ko) | 2013-01-03 |
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ID=47834096
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110061328A KR20130000667A (ko) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | 수열합성법을 이용한 이산화티탄 광촉매 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130000667A (ko) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105506736A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-04-20 | 国家纳米科学中心 | 一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途 |
| CN105543961A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-05-04 | 国家纳米科学中心 | 一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途 |
| CN105603526A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-05-25 | 国家纳米科学中心 | 一种纳米TiO2单晶材料、制备方法及其用途 |
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| CN109865509A (zh) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 天津发洋环保科技有限公司 | 一种二氧化钛纳米光触媒的制备方法 |
| KR20220072496A (ko) | 2020-11-25 | 2022-06-02 | (주)웨이투메이크 | 이산화티탄 광촉매 조성물을 이용한 코팅층 제조방법 |
| KR102446653B1 (ko) | 2021-11-10 | 2022-09-23 | (주)웨이투메이크 | 광촉매재를 이용한 광촉매 모듈 및 광촉매 모듈의 광촉매 특성 측정방법 |
-
2011
- 2011-06-23 KR KR1020110061328A patent/KR20130000667A/ko not_active Application Discontinuation
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|---|---|---|---|---|
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