KR20190023891A - 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매 및 그 제조 방법 - Google Patents

유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매가 개시되며, 상기 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매는, 산화갈륨; 및 상기 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질을 포함하되, 상기 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시키고, 상기 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킨다.

Description

유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매 및 그 제조 방법{GALLIUM OXIDE HYBRIDE PHOTOCATALYST FOR DECOMPOSITION OF VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본원은 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매, 및 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.
대표적인 환경 유해물질인 휘발성 유기화합물 (VOCs)은 독성이 심하고, 극소량으로도 유전자의 돌연변이를 유발할 수 있으며, 발암물질로도 작용한다고 보고되어 중요한 사회 문제로 대두되고 있다.
이러한 VOCs는 주로 자동차 내장재, 건축자재, 페인트 및 생활용품 등에서 발생하며, 오염된 공기의 계속적인 순환에 의해 농도가 빠르게 증가하고 있는 실정이다.
환경오염 및 대기오염이 사회 문제로 대두되고 있는 시점에서, 광촉매를 이용하여 휘발성 유기화합물을 제거하는 연구가 최근 관심을 받고 있다. 이러한 목적으로 여러 가지 반도체 소재가 사용되고 있지만, 광대역 밴드갭을 가지는 산화갈륨은 생성된 광전자/홀 의 높은 에너지로 인해서 기존의 에너지로는 분해 할 수 없는 휘발성 유기화합물을 제거 할 수 있는 장점을 갖고 있다. 일예로, 산화갈륨은 대표적인 휘발성 유기화합물질인 톨루엔을 무독성 물질로 분해하여 실내 공기 질을 향상 시키고, 벤젠을 CO2로 광물화 시키는데 효율적인 광촉매 특성이 보고되고 있다. 그런데, 산화갈륨에 의해 생성된 광전자 및 정공의 빠른 재결합이 광촉매 활성을 낮추므로 산화갈륨의 실제 적용이 제한되고 있다.
본원의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0117097호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산화갈륨이 광촉매로 활용되어 휘발성 유기화합물 분해에 실제적으로 적용될 수 있는 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매 및 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매는, 산화갈륨; 및 상기 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질을 포함하되, 상기 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시키고, 상기 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킬 수 있다.
또한, 본원의 제2 측면에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법은, (a) 합성 전 산화갈륨 및 합성 전 물질을 준비하는 단계; 및 (b) 상기 합성 전 산화갈륨 및 상기 합성 전 물질을 합성하여 산화갈륨 및 상기 산화 갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 합성 후 물질을 포함하는 복합체 촉매를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 촉매의 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지가 제공되면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시키고, 상기 촉매의 합성 후 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킬 수 있다.
또한, 본원의 제3 측면에 따른 공기 정화 장치는, 본원의 제1 측면에 따른 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매로 유기화합물을 분해할 수 있다.
또한, 본원의 제4 측면에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매는, 본원의 제2 측면에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법에 따라 제조될 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, Ga2O3에 의해 강한 산화력 및 환원력을 가진 자유라디칼이 생성될 수 있으므로 향상된 광촉매 효과가 확보될 수 있고, 휘발성 유기화합물의 분해 효율이 향상될 수 있다. 또한, 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 비산화 그래핀이 포함되므로 산화갈륨에서 생성된 전자가 비산화 그래핀으로 이동되어 비산화 그래핀에 트랩될 수 있어 전자와 정공의 재결합이 억제되어 광촉매 반응의 효율 저하가 방지될 수 있다. 또한, 산화갈륨 및 비산화 그래핀의 조합을 통해, 산화갈륨 대비 낮은 무게와 부피로도 우수한 광촉매 성능을 발휘시킬 수 있다.
도 1은 비산화 그래핀 표면에 형성되는 다공질 산화갈륨을 설명하기 위한 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 개요도이다.
도 2a 및 도 2b는 비산화 그래핀 표면에 형성된 다공질 산화갈륨 복합체를 설명하기 위한 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지와 비교하기 위한, 산화 그래핀의 전자 현미경 이미지이다.
도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지와 비교하기 위한, 다공질 산화갈륨의 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨에 의한 광촉매 반응 원리를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨에서 형성된 전자가 비산화 그래핀에 대하여 이동/트랩되는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨에서 형성된 전자가 산화갈륨의 전도대보다 낮은 비산화 그래핀의 전도대에 의해 비산화 그래핀으로 이동하는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 7은 산화 그래핀(GO)과 비산화 그래핀(RGO)의 농도에 따른 산화갈륨-비산화 그래핀 복합체의 X선 회절 분석을 도시한 그래프이다
도 8은 산화 그래핀(GO)과 비산화 그래핀 (RGO) 표면에 형성된 다공질 산화갈륨 복합체의 라만 분석을 도시한 그래프이다.
도 9는 UVC 254nm 조사 하에서의 휘발성 유기화합물의 광촉매 분해 특성과 관련된 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매(이하 '본 복합체 촉매'라 함)에 대하여 설명한다.
참고로, 본 복합체 촉매는 유기화합물 분해에 적용될 수 있으며, 예를 들어, 휘발성 유기화합물(VOCs: Volatile Organic Compounds)의 분해에 적용될 수 있다.
도 1은 비산화 그래핀 표면에 형성되는 다공질 산화갈륨을 설명하기 위한 본 복합체 촉매의 개요도이고, 도 2a 및 도 2b는 비산화 그래핀 표면에 형성된 다공질 산화갈륨 복합체를 설명하기 위한 본 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지이며, 도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지와 비교하기 위한, 산화 그래핀의 전자 현미경 이미지이고, 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 전자 현미경(FE-SEM) 이미지와 비교하기 위한, 다공질 산화갈륨의 전자 현미경 이미지이며, 도 4는 본 복합체 촉매의 산화갈륨에 의한 광촉매 반응 원리를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다. 참고로, 도 2a, 도 2b 및 도 3b의 스케일바는 1㎛이고, 도 3a의 스케일바는 10㎛이다. 또한, 참고로, 도 2a는 5wt% 비산화 그래핀이 표면에 형성된 본 복합체 촉매의 이미지이고, 도 2b는 1wt% 비산화 그래핀이 표면에 형성된 본 복합체 촉매의 이미지이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 복합체 촉매는 산화갈륨(Ga2O3)을 포함한다. 참고로, 후술하겠지만, 도 1, 도 2a 및 도 2b에는 베타상 산화갈륨이 도시되었으나, 산화갈륨은 베타상 산화갈륨으로 한정되지 않으며, 베타상 산화갈륨 외에 알파상 산화갈륨, 감마상 산화갈륨 등 중 하나가 산화갈륨으로 포함될 수 있다. 도 4를 참조하면, 산화갈륨은 광촉매 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하여 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시킨다. 참고로, 산화갈륨은 전기적 방법, 화학적 방법 및 물리적 방법 중 하나 이상을 통해 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성할 수 있다. 예를 들어, 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛이 조사되면, 이를테면, 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 자외선 영역의 광(보다 구체적으로, UVC)이 조사되면 전자와 정공을 생성할 수 있다. 다만, 산화갈륨의 전자와 정공 생성과 관련하여, 밴드갭 이상의 에너지 제공 방법은 자외선 영역의 광조사에만 한정되는 것이 아니라, 상술한 바와 같이, 전자와 홀(정공)을 생성할 수 있는 에너지(밴드갭 이상의 에너지)를 제공할 수 있는 전기적 방법, 화학적 방법 및 물리적 방법 중 하나 이상에 의해 에너지 제공, 광촉매 작용 및 광촉매 반응 측정이 이루어질 수 있다.
광촉매 물질에 밴드갭 이상의 에너지가 제공되면 전자와 정공을 생성되는데, 생성된 전자와 정공은 촉매 표면에 흡착된 다른 종(예를 들면, O2, OH- 등)과 반응하고, 흡착된 오염물질(유기 오염 물질)을 분해할 수 있는 자유 라디칼(
Figure pat00001
,
Figure pat00002
등)를 발생시키기 위해 매우 강한 환원력 및 산화력을 가져야 한다.
상기와 같은 작용에 적합한 광촉매는 산화갈륨일 수 있다. 도 4를 참조하면, 산화갈륨에 밴드갭 이상의 에너지가 제공되어 광생성된 전자와 정공은 대기 중의 물, 산소 등 중 하나 이상과 반응하여 강력한 산화력과 환원력을 가진 수산기(
Figure pat00003
)와 과산소이온(
Figure pat00004
) 등을 생성할 수 있고, 이들은 오염 물질을 물과 탄산가스로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, Ga2O3 표면의 광 생성 된 정공 및 전자는 TiO2에서 생성 된 것보다 더 강한 산화 환원 능력을 가져, TiO2 대비 큰 광촉매 효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 복합체 촉매는 산화갈륨을 광촉매로 사용하여 강력한 산화력 및 환원력을 가진 자유라디칼을 통해 광촉매를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 복합체 촉매는 산화갈륨을 광촉매로 사용하여 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)을 분해하고, 산화갈륨을 사용함으로써 휘발성 유기화합물의 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 복합체 촉매의 산화갈륨에서 형성된 전자가 비산화 그래핀에 대하여 이동/트랩되는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이고, 도 6은 본 복합체 촉매의 산화갈륨에서 형성된 전자가 산화갈륨의 전도대보다 낮은 비산화 그래핀의 전도대에 의해 비산화 그래핀으로 이동하는 것을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
또한, 본 복합체 촉매는 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 복합체 촉매는 산화갈륨의 전도대 보다 낮은 전도대를 갖는 금속 및 금속산화물를 포함할 수 있다. 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킨다. 예를 들어, 생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합하기 전에 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질로 이동되어 상기 물질에 트랩됨으로써 여기 시간이 증가될 수 있다.
예시적으로, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 복합체 촉매는 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질로서 비산화 그래핀을 포함할 수 있다. 이와 같은 경우, 도 1을 참조하면, 본 복합체 촉매는 시트(sheet) 형태의 비산화 그래핀에 산화갈륨이 구비되는 형상을 가질 수 있다. 이 점은 산화갈륨 및 비산화 그래핀을 포함하는 본 복합체 촉매의 전자 현미경 이미지인 도 2a 및 도 2b를 산화 그래핀의 전자 현미경 이미지인 도 3a 및 다공질 산화갈륨의 전자 현미경 이미지인 도 3b와 비교하여 보면, 보다 자세히 이해할 수 있다.
비산화 그래핀은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 6을 참조하면, 생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합하기 전에 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 비산화 그래핀으로 이동되어 비산화 그래핀에 트랩됨으로써 여기 시간이 증가될 수 있다.
일반적으로, 도 6의 왼쪽 그림을 참조하면, 광촉매 내에서 생성된 전자는 광촉매 표면까지 확산된 후 반응물과 만나지 못할 수 있고, 수명이 짧은 전자는 광촉매 내부에서 표면까지 긴 경로를 이동하다가 정공과 만나 재결합 할 수 있는데, 이러한 각각의 경우가 광촉매 반응의 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 원인이 될 수 있다.
이에 대하여, 본 복합체 촉매는 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질(예를 들어, 비산화 그래핀)을 포함함으로써, 광촉매 반응의 효율 저하를 줄일 수 있다. 구체적으로, 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질로 비산화 그래핀을 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 6의 오른쪽 그림을 참조하면, 비산화 그래핀은 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 가지므로, 도 5를 참조하면, 광조사하에 생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합되기 전에 다공질 산화갈륨의 전도대에서 비산화 그래핀으로 빠르게 이동되어 비산화 그래핀에 트랩될 수 있다. 이와 같은 전자의 비산화 그래핀에 대한 이동 및 트랩에 의해 전자의 정공과의 재결합이 효율적으로 억제될 수 있고, 이에 따라, 전자와 정공은 최종적으로 산소 등을 환원시켜 과산소이온(
Figure pat00005
)을 생성할 수 있다. 이와 같이 본 복합체 촉매는 다공질 산화갈륨의 전도대 보다 낮은 비산화 그래핀을 이용하여 광촉매 반응의 효율 저하를 감소시킬 수 있다.
즉, 본 복합체 촉매에 의하면, 산화갈륨 전도대에서 광 생성된 전자들 중 적어도 일부는 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질로 이동 및 트랩되어, 정공과 재결합되지 않고 여기시간(life-time)을 증가시키며 광촉매 반응에 참여하여 광촉매 효율을 증가시킬 수 있다.
정리하면, 본 복합체 촉매는 환원된 그래핀 옥사이드의 증가된 비표면적뿐만 아니라 전자 이동 및 전자 트랩을 이용해 빠른 광촉매 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 복합체 촉매는 넓은 비표면적과 전자 이동도가 우수한 그래핀을 광촉매 지지체로 이용하여 생성된 전자와 정공의 빠른 재결합을 억제하고 광분해 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 복합체 촉매에 있어서, 산화갈륨은 표면적이 증가되도록, 다공성 표면의 산화갈륨일 수 있다. 이에 따라, 분해 반응이 발생하는 광촉매(산화갈륨)의 표면적이 증가되어 유기화합물 분해 효율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 다공성 표면의 산화갈륨은 다공성 표면을 갖도록, 산화갈륨에 친수성기를 가진 폴리머가 이용된 열처리가 행해져 형성될 수 있다.
또한, 산화갈륨은 베타상, 알파상 및 감마 상 중 하나일 수 있다. 즉, 본 복합체 촉매에 있어서, 산화갈륨은 다공성 베타상 산화갈륨, 다공성 알파상 산화갈륨 및 다공성 감마상 산화갈륨 중 하나일 수 있고, 다공성 베타상 산화갈륨은 베타상 산화갈륨에 친수성기를 가진 폴리머(PEG 등)가 이용된 열처리가 가해지므로 형성될 수 있다. 또한, 다공성 알파상 산화갈륨은 알파상 산화갈륨에 친수성기를 가진 폴리머가 이용된 열처리가 가해지므로 형성될 수 있다. 또한, 다공성 감마상 산화갈륨은 감마상 산화갈륨에 친수성기를 가진 폴리머가 이용된 열처리가 가해지므로 형성될 수 있다.
다시 말해, 베타상 산화갈륨(또는 알파상 산화갈륨, 또는 감마상 산화갈륨)이 hydrothermal 방법, 다른 화학적 합성과 물리적 증착법(CVD, Sputter, ALD등) 등 중 하나를 통해 합성되되고, 베타상 산화갈륨(또는 알파상 산화갈륨, 또는 감마상 산화갈륨) 표면의 기공처리를 위해 친수성기를 가진 폴리머(PEG 등)를 이용한 열처리가 이루어지면 다공성 베타상 산화갈륨(또는 다공성 알파상 산화갈륨, 또는 다공성 감마상 산화갈륨)이 형성될 수 있다.
광촉매 특성을 갖는 다공질 산화갈륨은 종래 연구된 휘발성 유기화합물 분해에 대한 대표물질인 이산화티탄보다 산화력이 강하고, 비표면적이 더 크기 때문에 높은 활성 및 장기 안정성 특성을 가질 수 있다. 산화갈륨 표면에서의 더 강한 산화환원 능력으로 깨끗한 광활성 표면이 유지될 수 있다.
또한 표면 근처에 빛이 흡수되는 이산화티탄과 달리 산화갈륨의 다공성 구조에는 빛이 이산화티탄 대비 깊이 침투하여 더 넓은 비표면적을 조사할 수 있으므로, 광촉매 특성이 향상될 수 있다.
또한, 비산화 그래핀은 2차원 소재로서 상술한 바와 같이 시트 형태일 수 있는데, 이와 같이, 본 복합체 촉매는 분해 반응이 발생하는 표면을 증가시키기 위해 2차원 소재인 그래핀-산화갈륨 하이브리드 구조체를 형성하여 유기화합물 분해 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 전술한 바에 따르면, 다공질 산화갈륨이 비산화 그래핀과 결합되므로, 비표면적이 증가될 수 있고, 전하 이동 및 전하 트랩에 따른 캐리어의 life-time 증가가 이루어져 전자-정공의 재결합이 방지되어 광촉매 특성 향상에 효과가 발휘될 수 있다. 이에 따라, 본 복합체 촉매는 동일한 산화갈륨 대비 더 낮은 무게와 부피를 가지고도 더 우수한 성능을 보일 수 있다.
또한, 본 복합체 촉매에 있어서, 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질이 산화 그래핀인 경우, 본 복합체 촉매는 산화 그래핀 및 산화갈륨이 수열 합성(hydrothermal)됨으로써 형성될 수 있다.
본 복합체 촉매의 형성을 위한 수열 합성 전에, 산화 그래핀이 제조될 수 있다. 예시적으로, 산화 그래핀은 Modified Hummers method에 의해 형성될 수 있다. 다만, Modified Hummers method는 산화 그래핀을 제조하는 방법 중 하나로서, 본원에 있어서 산화 그래핀을 제조하는 방법은 이에 한정되지 않는다. 또한, 산화갈륨은 다공성 베타상 산화갈륨, 다공성 알파상 산화갈륨 및 다공성 감마상 산화갈륨 중 하나로 준비될 수 있다. 다공성 베타상 산화갈륨, 다공성 알파상 산화갈륨 및 다공성 감마상 산화갈륨의 준비에 대해서는 상술하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
수열 합성과 관련하여, 예시적으로, 본 복합체 촉매는, 산화 그래핀과 산화갈륨이 첨가된 수용액(Mixture)이 125℃ 내지 175℃에서 4 시간 내지 8시간 동안 반응되어 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 복합체 촉매는, 산화 그래핀과 산화갈륨이 첨가된 수용액이 오토클레이브 반응용기에 수용되어 제1 기설정된 온도에서 기설정된 시간동안 반응되어 형성될 수 있다. 또한, 형성된 본 복합체에는, Di water와 에틸알콜을 이용한 washing 이 수행될 수 있고, 이후에, 제2 기설정된 온도에서 건조 처리됨으로써 제조 완료될 수 있다. 여기에서, 제1 기설정된 온도는 125℃ 내지 175℃ 범위 내에서 설정될 수 있는데, 예를 들어 150℃일 수 있다. 또한, 기설정된 시간은 4시간 내지 8시간 범위 내에서 설정될 수 있는데, 예를 들어, 6시간일 수 있다. 또한, 제2 기설정된 온도는 50℃ 내지 70℃의 범위 내에서 설정될 수 있는데, 예를 들어 60℃일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 수열합성을 통해 얻어진 본 복합체 촉매를 전자현미경으로 미세구조를 관찰하면 길이 약 3um정도의 다공질 산화갈륨과 환원된 그래핀 옥사이드 나노시트가 형성된 것을 알 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 도 3a 및 도 3b와 비교하여 보면, 그 점을 보다 자세히 알 수 있다.
도 7은 산화 그래핀(GO)과 비산화 그래핀(RGO)의 농도에 따른 산화갈륨-비산화 그래핀 복합체의 X선 회절 분석을 도시한 그래프이고, 도 8은 산화 그래핀(GO)과 비산화 그래핀(RGO) 표면에 형성된 다공질 산화갈륨 복합체의 라만 분석을 도시한 그래프이다. 참고로, 도 7 및 도 8에서 비산화 그래핀(RGO) 표면에 형성된 다공질 산화갈륨 복합체의 라만 분석은 본 복합체 촉매의 산화갈륨의 라만 분석이라 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 환원된 그래핀과 베타상 산화갈륨 구조를 확인하기 위해 X선 회절 분석을 하여 보면, 수열합성을 통해 비산화 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있다. 더불어 높은 결정도를 가진 베타상 산화갈륨과 복합체가 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면, 라만 분석을 통해 비산화 그래핀 형성 과정에서 sp2 domain size가 작아져 이로 인해 결함 관련된 D 피크의 강도 값이 커지게 되는 것을 확인할 수 있고, ID/IG 값의 증가를 통해 산화 그래핀이 비산화 그래핀으로 되었음을 확인할 수 있다.
참고로, 산화 그래핀과 산화갈륨이 첨가된 수용액은 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액에 산화 그래핀과 동량의 산화갈륨이 첨가되어 혼합됨으로써 형성될 수 있다. 참고로, 산화 그래핀은 Modified Hummers method을 통해 제작된 것일 수 있다. 또한, 산화갈륨은 상술한 다공성 표면의 베타상 산화갈륨일 수 있다. 또한, 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액은 산화 그래핀과 DI water의 혼합액을 초음파 분산한 것일 수 있다.
예를 들어, 산화 그래핀과 산화갈륨이 첨가된 수용액은 산화 그래핀의 농도가 기설정 농도(예를 들어, 0.1wt% 내지 5wt%)로 형성되도록 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 것이 초음파 분산을 통해 수 시간 합성(혼합)되고, 그 후, 산화 그래핀과 동량의 산화갈륨이 첨가되어 기설정된 시간(예를 들면, 수 시간)동안 교반됨으로써 제조될 수 있다.
도 9는 UVC 254nm 조사 하에서의 휘발성 유기화합물의 광촉매 분해 특성과 관련된 그래프이다.
본 복합체 촉매의 광촉매 특성을 분석하기 위해 생활 속에서 휘발성 유기화합물을 많이 배출시키는 아크릴 접착제를 소량 덜어내어 UVC(254nm)를 조사하며 시간에 따른 TVOCs 분해율을 측정한 결과가 도 9에 나타나 있다.
도 9를 참조하면, 30분 간격으로 TVOCs 분해율(수치)을 확인하였을 때, 광촉매 물질 없이 접착제만 UVC 조사할 경우(도 9 그래프의 (g) 참조), 한 시간 경과 이후부터 TVOCs 수치 가 감소하기 시작했다.
또한, 기존에 많이 사용되고 있는 아나타제 이산화티탄(도 9 그래프의 (a) 참조)과 베타상 산화갈륨(도 9 그래프의 (f) 참조)을 대조군으로서 TVOCs 분해율을 측정하여 보면, 이산화티탄(도 9 그래프의 (a) 참조)과 산화갈륨(도 9 그래프의 (f) 참조) 모두 30분 이후부터 분해가 시작되었고, 산화갈륨 밴드갭 에너지보다 큰 에너지 영역의 UV조사로 인한 이산화티탄(도 9 그래프의 (a) 참조)과 산화갈륨(도 9 그래프의 (f) 참조)의 분해율 차이를 확인할 수 있다.
반면에, 본 복합체 촉매로서 산화 그래핀이 1wt% 첨가된 다공질 베타상 산화갈륨(도 9 그래프의 (c) 참조)에서 광촉매제로서 매우 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 같은 무게의 산화갈륨에 비해 적은 양의 산화갈륨을 함유하는 복합체가 형성되나, 비산화 그래핀으로의 전자 이동, 비산화 그래핀에 의한 전자 트랩 및 증가된 비표면적에 의해 광촉매 특성이 매우 향상됨을 확인할 수 있다. 참고로, 도 9 그래프의 (b)는 본 복합체 촉매로서, 산화 그래핀이 5wt% 첨가된 다공질 베타상 산화갈륨의 광촉매제에 관한 것이고, 도 9 그래프의 (c)는 본 복합체 촉매로서, 산화 그래핀이 1wt% 첨가된 다공질 베타상 산화갈륨의 광촉매제에 관한 것이며, 도 9 그래프의 (d)는 본 복합체 촉매로서, 산화 그래핀이 0.5wt% 첨가된 다공질 베타상 산화갈륨의 광촉매제에 관한 것이고, 도 9 그래프의 (e)는 본 복합체 촉매로서, 산화 그래핀이 0.1wt% 첨가된 다공질 베타상 산화갈륨의 광촉매제에 관한 것이다.
또한, 본 복합체 촉매와 종래의 촉매를 비교하여 보면, 본 복합체 촉매는 기존에 사용되고 있는 광촉매 물질(TiO2)이 아닌 다공성 산화갈륨과 환원된 그래핀 옥사이드 복합체 이용함으로써, 상업적 TiO2 보다 안정되고 높은 광촉매 활성을 확보할 수 있고 증가된 비표면적 및 광 생성 전자와 정공의 효과적 분리를 통해 안정되고 높은 광촉매 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한 본 복합체 촉매는 나노시트 구조가 상호 결합하여 매크로 채널 구조를 형성하여 유기화합물에 대한 흡착율을 높여 빠른 광 반응성을 확보한 것으로서, 다공성 베타상 산화갈륨과 환원된 그래핀 옥사이드 복합체는 두 물질의 넓은 비표면적과 그래핀에 의한 전자 이동 및 전자 트랩을 통해 재결합을 억제하여 광분해 특성을 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 본 복합체 촉매는 환원된 그래핀 옥사이드의 증가된 비표면적뿐만 아니라 전자 이동 및 전자트랩을 이용해 종래의 TiO2 광촉매 대비 빠른 광촉매 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본원은 공기 정화 장치(시스템)를 제공할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따른 공기 정화 장치는 전술한 본 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매로 유기화합물을 분해할 수 있다. 예를 들어, 본원의 일 실시예에 따른 공기 정화 장치는 실내, 자동차 내부 등의 공기 청정기 등과 같은 공기 정화시스템을 위해 사용될 수 있다.
이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법(이하 '본 복합체 촉매 제조 방법'이라 함)에 대하여 설명한다. 다만, 본 복합체 촉매 제조 방법의 설명과 관련하여 앞서 살핀 본 복합체 촉매에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 복합체 촉매 제조 방법은 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.
본 복합체 촉매 제조 방법은 합성 전 산화갈륨 및 합성 전 물질을 준비하는 단계(제1 단계)를 포함한다.
제1 단계는 산화갈륨으로서, 다공성 표면을 가진 산화갈륨을 준비할 수 있다. 이에 따라, 후술하는 제2 단계에서 형성되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨의 표면적이 증가할 수 있다.
구체적으로, 제1 단계는 합성 전 산화갈륨이 다공성 표면을 갖도록 친수성기를 가진 폴리머를 이용해 산화갈륨을 열처리할 수 있다. 또한, 제1 단계는 합성 전 산화갈륨으로서, 베타상 산화갈륨, 알파상 산화갈륨 및 감마상 산화갈륨 중 하나를 준비할 수 있다. 즉, 제1 단계는, 산화갈륨으로서, 다공성 표면을 가진 베타상 산화갈륨, 다공성 표면을 가진 알파상 산화갈륨 및 다공성 표면을 가진 감마상 산화갈륨 중 하나를 준비할 수 있다.
또한, 본 복합체 촉매 제조 방법은 합성 전 물질 및 합성 전 산화갈륨을 합성하여 산화갈륨 및 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 합성 후 물질을 포함하는 복합체 촉매를 제조하는 단계(제2 단계)를 포함한다.
제2 단계에서 형성되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지가 제공되면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시킨다. 참고로, 제2 단계에서 형성되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 산화갈륨은 전기적 방법, 화학적 방법 및 물리적 방법 중 하나 이상을 통해 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성할 수 있다.
또한, 제2 단계에서 형성되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 합성 후 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시킨다. 구체적으로, 생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합하기 전에 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 비산화 그래핀으로 이동되어 비산화 그래핀에 트랩됨으로써 여기 시간이 증가될 수 있다.
예시적으로, 제2 단계에서 형성되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 합성 후 물질은 비산화 그래핀일 수 있다.
이러한 경우, 제1 단계에서 준비되는 합성 전 물질은 산화 그래핀일 수 있다. 또한, 제2 단계는 산화그래핀 및 합성 전 산화갈륨(산화갈륨)을 수열합성할 수 있다. 예시적으로, 제2 단계는 산화 그래핀과 합성 전 산화갈륨이 첨가된 수용액을 125˚ 내지 175˚에서 4 시간 내지 8시간 동안 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 수용액은 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액에 산화 그래핀과 동량의 합성 전 산화갈륨이 첨가되어 혼합됨으로써 형성되는 것일 수 있다. 또한, 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액은 산화 그래핀과 DI water의 혼합액을 초음파 분산한 것일 수 있다.
또한, 본원은 상술한 본 복합체 촉매 제조 방법에 의해 제조되는 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매를 제공할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (24)

  1. 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매로서,
    산화갈륨; 및
    상기 산화갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 물질을 포함하되,
    상기 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시키고,
    상기 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합하기 전에 상기 물질로 이동되어 상기 물질에 트랩됨으로써 여기 시간이 증가되는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화갈륨은 표면적이 증가되도록, 다공성 표면의 산화갈륨인 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 표면의 산화갈륨은 다공성 표면을 갖도록, 산화갈륨에 친수성기를 가진 폴리머가 이용된 열처리에 의해 형성되는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화갈륨은 베타상, 알파상 및 감마상 중 하나인 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 비산화 그래핀인 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  7. 제6항에 있어서,
    산화 그래핀 및 산화갈륨이 수열 합성되어 형성되는, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  8. 제7항에 있어서,
    산화 그래핀과 산화갈륨이 첨가된 수용액이 125℃ 내지 175℃에서 4 시간 내지 8시간 동안 반응되어 형성되는, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수용액은 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액에 산화 그래핀과 동량의 산화갈륨이 첨가되어 혼합됨으로써 형성되는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액은 산화 그래핀과 DI water의 혼합액을 초음파 분산한 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 산화갈륨은 전기적 방법, 화학적 방법 및 물리적 방법 중 하나 이상을 통해 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
  12. 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법으로서,
    (a) 합성 전 산화갈륨 및 합성 전 물질을 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 합성 전 산화갈륨 및 상기 합성 전 물질을 합성하여 산화갈륨 및 상기 산화 갈륨의 전도대보다 낮은 전도대를 갖는 합성 후 물질을 포함하는 복합체 촉매를 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 촉매의 산화갈륨은 밴드갭 이상의 에너지가 제공되면 전자와 정공을 생성하여, 전자와 다른 종의 결합 및 정공과 다른 종과의 결합 중 하나 이상을 통해, 유기화합물을 분해할 수 있는 자유 라디칼을 발생시키고,
    상기 촉매의 합성 후 물질은 생성된 전자 중 적어도 일부의 여기 시간(life-time)을 증가시켜 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매의 산화갈륨으로부터 생성된 전자 중 적어도 일부는 정공과 재결합하기 전에 상기 촉매의 합성 후 물질로 이동되어 상기 촉매의 합성 후 물질에 트랩됨으로써 여기 시간이 증가되는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 촉매의 산화갈륨의 표면적이 증가하도록, 상기 합성 전 산화갈륨으로서, 다공성 표면의 산화갈륨을 준비하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 합성 전 산화갈륨이 다공성 표면을 갖도록 친수성기를 가진 폴리머를 이용해 산화갈륨을 열처리하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 합성 전 산화갈륨으로서, 베타상 산화갈륨, 알파상 산화갈륨 및 감마상 산화갈륨 중 하나를 준비하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 촉매의 합성 후 물질은 비산화 그래핀인 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 합성 전 산화갈륨 및 산화 그래핀을 수열 합성하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 산화 그래핀과 상기 합성 전 산화갈륨이 첨가된 수용액을 125˚ 내지 175˚에서 4 시간 내지 8시간 동안 반응시키는 단계를 포함하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 수용액은, 상기 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액에 상기 산화 그래핀과 동량의 상기 합성 전 산화갈륨이 첨가되어 혼합됨으로써 형성되는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 산화 그래핀과 DI water가 혼합된 혼합액은 상기 산화 그래핀과 DI water의 혼합액을 초음파 분산한 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 촉매의 산화갈륨은 전기적 방법, 화학적 방법 및 물리적 방법 중 하나 이상을 통해 밴드갭 이상의 에너지를 제공받으면 전자와 정공을 생성하는 것인, 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매의 제조 방법.
  23. 제1항에 따른 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매로 유기화합물을 분해하는 공기 정화 장치.
  24. 제12항의 제조 방법에 의해 제조되는 유기화합물 분해를 위한 산화갈륨을 포함하는 복합체 촉매.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114768814A (zh) * 2022-04-24 2022-07-22 湖南匡楚科技有限公司 一种用于催化燃烧VOCs催化剂的制备方法及其产品

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