KR20210119756A - Catalysts containing sulfate-functionalized metal oxide for electro-fenton reaction system, electrode comprising the same and electro-fenton reaction system using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a catalyst for an electro-Fenton reaction system, an electrode comprising the same, and an electro-Fenton reaction system using the same. More specifically, the present invention provides a catalyst for an electro-Fenton reaction system comprising at least one type of (M_A)_Z(M_B)_3_-ZO_4 catalyst crystal particle whose surface is functionalized with a sulfate ion (SO_4^2-), an electrode comprising the same, and an electro-Fenton reaction system using the same. The purpose of the present invention is to decompose hardly decomposable organic matter based on a heterogeneous catalytic reaction by dispersing a sulfate anion (SO_4^ˑ-) functional group, which has a longer lifespan, a wider pH range, and similar oxidizing power compared to a hydroxyl functional group (-OH), on the surface of (M_A)_Z(M_B)_3_-ZO_4 catalyst.

Description

황산이온으로 기능화된 금속 산화물을 포함하는 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매, 이를 포함하는 전극 및 이를 이용한 전기적 펜톤 반응 시스템 {CATALYSTS CONTAINING SULFATE-FUNCTIONALIZED METAL OXIDE FOR ELECTRO-FENTON REACTION SYSTEM, ELECTRODE COMPRISING THE SAME AND ELECTRO-FENTON REACTION SYSTEM USING THE SAME}Catalyst for an electric Fenton reaction system containing a metal oxide functionalized with sulfate ions, an electrode including the same, and an electric Fenton reaction system using the same FENTON REACTION SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 난분해성 유기물의 효율적 분해를 위해, 표면이 황산이온(SO4 2-)으로 기능화된 [화학식 1]로 표시되는 촉매결정입자를 적어도 한 종 이상 포함하는 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매, 이러한 촉매를 포함하는 전극 및 이러한 전극을 이용하는 전기적 펜톤 반응 시스템에 관한 것이다.The present invention provides a catalyst for an electrical Fenton reaction system comprising at least one kind of catalyst crystal particles represented by [Formula 1] functionalized with sulfate ions (SO 4 2- ) on the surface for efficient decomposition of difficult-to-decompose organic matter, such An electrode comprising a catalyst and an electrical Fenton reaction system using such an electrode.

근래 각광받는 폐수처리 기술 중 하나는 높은 활성을 지니는 라디칼(radical, 예를 들어 ·OH 또는 SO4 ·-) 산화제를 폐수 내에 생성/번창시켜 물에 포함된 난분해성 또는 독성을 가지는 유기 물질들을 균일 촉매반응에 기반하여 산화 분해하는 고급 산화처리 공정(advanced oxidation process, AOP)이다. 대표적인 AOP 중 하나는 하/폐수 처리장에 소형화·상용화되어 있는 단일 촉매공정으로써, 촉매가 코팅되지 않은 애노드(anode)와 촉매가 코팅된 캐소드(cathode) 사이에 전압을 걸어주어, 난분해성 유기물질들을 균일 촉매반응에 기반하여 산화 분해시키는 전기적 펜톤(Electro-Fenton) 반응 공정이다. 이는 3가지 주요한 장점들을 제공한다. 이를테면, 1)캐소드에서 일어나는 산소 환원에 의하여 무한한 양의 과산화수소(H2O2) 공급(2H+ + O2 + 2e- → H2O2)이 가능한 점, 2)애노드에서 일어나는 H2O 산화(H2O → ·OH + H+ + e-) 또는 캐소드에 코팅된 촉매표면의 산화가 2종 이하의 금속종(Mδ+, M:금속; δ≤2)에 의한 과산화수소의 불균일촉매(heterogeneous catalysis) 분해 또는 균일촉매(homogeneous catalysis) 분해에 의한 과산화수소 촉매분해 반응(H2O2·OH + OH-)에 의하여 상당한 양의 ·OH 공급이 가능한 점, 3) 상술한 과산화수소 촉매분해 반응 결과 형성되는 M(δ+1)+가 반응 용액 내부의 풍부한 전자(e-)에 의하여 Mδ+로 환원되어 (M(δ+1)+ + e- → Mδ+) 과산화수소 촉매 분해 반응에 재활용이 가능한 점으로 요약된다. One of the waste water treatment technology that is spotlighted in recent years is a radical (radical, for example, · OH or SO 4 · -) having a high activity to produce / thriving an oxidizing agent in the waste water contained in the water I homogeneous organic material having a degradable or toxic It is an advanced oxidation process (AOP) that oxidatively decomposes based on a catalytic reaction. One of the representative AOPs is a single catalyst process that is miniaturized and commercialized in sewage/wastewater treatment plants. It applies a voltage between an anode that is not coated with a catalyst and a cathode that is coated with a catalyst to remove difficult-to-decompose organic materials. It is an electro-Fenton reaction process that oxidatively decomposes based on a homogeneous catalytic reaction. This provides three major advantages. For example, 1) an infinite amount of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) can be supplied (2H + + O 2 + 2e - → H 2 O 2 ) by oxygen reduction occurring at the cathode, 2) H 2 O oxidation occurring at the anode (H 2 O → · OH + H + + e -) , or the oxidation of the surface of the catalyst coated on the cathode metal species of not more than 2 species M +, M: metal; δ≤2) of hydrogen peroxide by heterogeneous catalyst ( heterogeneous catalysis) the decomposition or homogeneous catalysts (homogeneous catalysis) peroxide catalyst decomposition reaction by the decomposition (H 2 O 2 → · OH + OH -) capable of a significant amount of · OH supplied by the points, and 3) the above-described hydrogen peroxide catalytic Cracking The resulting M (δ+1)+ is reduced to M δ+ by abundant electrons (e - ) inside the reaction solution (M (δ+1)+ + e - → M δ+ ) for hydrogen peroxide-catalyzed decomposition reaction. It boils down to recyclability.

상기 장점들에도 불구하고, 다음에 제시된 단점들은 전기적 펜톤 반응 공정의 폐수처리를 위한 대형화·상용화를 제한한다. 첫 번째, 캐소드에 코팅된 촉매 표면에 존재하는 제한된 양의 Mδ+종들은 과산화수소 촉매 분해 반응 결과 형성되는 M(δ+1)+종들이 전자(e-)에 의해 Mδ+종으로 지속적으로 회복됨에도 불구하고, 궁극적으로 제한된 양의 ·OH를 발생시키고, 이는 ·OH에 의한 난분해성 유기물 분해 속도를 느리게 한다. 두 번째, 비교적 가혹한 조건 하에서 수행되는 전기적 펜톤 반응 공정은 캐소드에 코팅된 촉매 표면에 존재하는 Mδ+종들의 지속적이고 심각한 박리(leaching)를 야기하고, 이는 코팅된 촉매의 사용 횟수를 제한하고 유기물 분해성능의 감소를 일으킨다. 세 번째, 전기적 펜톤 반응 공정에 적용되는 ·OH의 경우, 비교적 수명이 짧으므로 유기물 분해 효율이 저하되고, ·OH의 효율적인 생산을 위한 제한된 범위의 pH를 요구하는 문제점을 가진다.In spite of the above advantages, the disadvantages presented below limit the large-scale commercialization of the electrical Fenton reaction process for wastewater treatment. First, a limited amount of M δ+ species present on the catalyst surface coated on the cathode continuously converts M (δ+1)+ species formed as a result of hydrogen peroxide catalytic decomposition into M δ+ species by electrons (e ). Despite recovery, it ultimately produces a limited amount of · OH, which slows the rate of decomposition of recalcitrant organics by · OH. Second, the electric Fenton reaction process carried out under relatively harsh conditions causes continuous and severe leaching of M δ+ species present on the catalyst surface coated on the cathode, which limits the number of uses of the coated catalyst and organic matter. It causes a decrease in the decomposition performance. Third, in the case of · OH applied to the electric Fenton reaction process, since the lifespan is relatively short, the decomposition efficiency of organic substances is lowered, and · · OH has a problem that requires a pH in a limited range for the efficient production of OH.

(선행문헌 1) 공개특허공보 제10-1990-0012674호(Prior Document 1) Laid-Open Patent Publication No. 10-1990-12674

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 포함한 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, ·OH 대비 1)보다 긴 수명, 2)보다 넓은 pH 범위, 3)유사한 산화력을 가지는 SO4 ·- 기능기를 (MA)Z(MB)3-ZO4 촉매표면에 분산시켜 불균일 촉매반응에 기반하여 난분해성 유기물을 분해하는 것을 목적으로 한다. The present invention to solve various problems, including the problems as described above, - with a long life, 2) the oxidizing power similar to a wide pH range, and 3) more than OH Contrast 1) SO 4 · - functional group (M A) Z (M B) 3-Z O 4 were dispersed in the catalyst surface and an object thereof is to decompose the decomposable organic material I on the basis of heterogeneous catalytic reactions.

또한, 본 발명은 지속적인 ·OH 생성을 유도하되, 기존 전기적 펜톤 공정의 단점들로 제시된 1)느린 난분해성 유기물 분해반응 속도, 2)심각한 반응 활성점 박리(Mδ+ leaching), 3)제한된 촉매 수명 등의 문제를 해결할 수 있는 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매, 이를 포함하는 전극 및 이를 이용한 전기적 펜톤 반응 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, the present invention, but leads to continuous · OH produced, the existing electrical Fenton presented with disadvantages of the processes 1) slow I serious reaction active points peeling decomposable organic matter decomposition reaction rate, 2) (M δ + leaching), 3), limited catalyst An object of the present invention is to provide a catalyst for an electric Fenton reaction system capable of solving problems such as lifespan, an electrode including the same, and an electric Fenton reaction system using the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 표면이 SO4 2-로 기능화된 [화학식 1]로 표시되는 촉매결정입자를 적어도 한 종 이상 포함하는, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매가 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, a catalyst for an electric Fenton reaction system is provided, comprising at least one kind of catalyst crystal particles represented by [Formula 1] whose surface is functionalized with SO 4 2- .

[화학식 1][Formula 1]

(MA)Z(MB)3-ZO4 (M A) Z (M B ) 3-Z O 4

(여기서, MA 및 MB는 금속이고, Z는 0 내지 3 사이의 값을 가지는 실수임) (where M A and M B are metals, and Z is a real number having a value between 0 and 3)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매결정입자는 다공성 구조일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst crystal particles may have a porous structure.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매결정입자는 직경이 0.1 nm 내지 500 ㎛일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst crystal particles may have a diameter of 0.1 nm to 500 μm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자의 금속(MA 또는 MB)은 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the SO 4 2- The (M A) functionalized with Z (M B) 3-Z O 4 crystals of the metal particles (M A or M B) are lithium (Li), magnesium ( Mg), calcium (Ca), barium (Ba), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), cadmium (Cd), titanium ( Ti), germanium (Ge), tin (Sn), aluminum (Al), chromium (Cr), gallium (Ga), and may be at least one selected from the group consisting of indium (In) or a combination thereof.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매; 상기 촉매가 담지되는 담지체; 상기 담지체가 코팅되는 기판; 및 상기 담지체와 기판 사이에 개재되어 코팅 접착력을 증가시키는 바인더;를 포함하는 전기적 펜톤 반응 시스템용 전극이 제공된다. According to one aspect of the present invention for solving the above problems, the catalyst for the electric Fenton reaction system; a support on which the catalyst is supported; a substrate on which the carrier is coated; and a binder interposed between the carrier and the substrate to increase coating adhesion.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 담지체는, 탄소(C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carrier, carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2 It may be any one.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 담지체 100중량부 대비 상기 촉매 0.01 내지 50중량부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, 0.01 to 50 parts by weight of the catalyst may be included with respect to 100 parts by weight of the support.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 불용성 고분자일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the binder may be an insoluble polymer.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기 전극 및 전해질 수용액을 포함하는 전기적 펜톤 반응 시스템이 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, there is provided an electrical Fenton reaction system comprising the electrode and an aqueous electrolyte solution.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질 수용액의 pH는 5 내지 10이고, 2W 이하의 전력이 입력되어 전기적 펜톤 반응이 일어날 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the pH of the aqueous electrolyte solution is 5 to 10, and electric power of 2W or less is input to cause an electrical Fenton reaction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기적 펜톤 반응은, (1) H2O2의 불균일 분해반응에 의해 ·OH종이 형성되는 단계; (2) 상기 기능화된 SO4 2-종이 상기 ·OH종에 의해 SO4 ·-종으로 전환되는 단계; 및 (3) 상기 SO4 ·-종에 의해 난분해성 유기물이 분해되는 단계;를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrical Fenton reaction, (1) H 2 O 2 by the heterogeneous decomposition reaction of · OH species is formed; (2) SO 4 · by the · OH species the functionalized SO 4 2- paper-step to be converted into a species; and (3) the SO 4 ·- decomposing the difficult-to-decompose organic material by the species.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매표면의 SO4 2- 기능기가 ·OH과 반응하여 1)·OH 대비 보다 긴 수명과 산화력을 가지고, 2) 보다 넓은 pH 조건에서 구동할 수 있는 SO4 ·- 기능기(표면종)로 변환되어 난분해성 유기물 분해의 반응 속도를 향상시킬 수 있다.In accordance with one embodiment of the present invention made as described above, the catalyst SO 4 2- functional groups on the surface by reacting with the OH · 1) · has a long life and oxidative more than OH, to drive over a wide pH conditions than 2) It is converted to the functional group (surface species) I it is possible to improve the reaction rate of the decomposable organic material decomposition - can SO 4 · in.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 난분해성 유기물질 분해 도중 일어나는 결정입자의 박리현상을 감소시킬 수 있고, 난분해성 유기물 분해 시 여러 번의 촉매사용에도 성능이 유지되고 촉매 수명을 향상시키는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to reduce the peeling phenomenon of crystal grains occurring during the decomposition of the hardly decomposable organic material, and the performance is maintained even when the catalyst is used several times during the decomposition of the hardly decomposable organic material, and the effect of improving the catalyst life is achieved. have.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매결정입자의 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 포함하는 전기적 펜톤(electro-Fenton) 반응 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매들의 X-선 회절분석법 패턴(XRD pattern)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매표면들의 in situ diffuse reflectance infrared fourier transform (DRIFT) spectroscopy 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매들의 O 1s 영역에서의 XPS 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매들의 S 2p 영역에서의 XPS 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매들을 사용한 과산화수소(H2O2) 분해 반응 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 촉매들을 사용한 전기적 펜톤 페놀 분해 반응 실험의 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 촉매들을 사용한 전기적 펜톤 페놀 분해 반응 실험의 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 촉매를 사용한 경우 시간에 따라 분해되는 페놀의 전환율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 촉매를 사용한 전기적 펜톤 페놀 분해 순환(recycle) 반응 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 촉매들을 사용한 전기적 펜톤 아닐린 분해 반응 실험의 결과들을 나타내는 그래프이다.
1 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of a catalyst crystal particle according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating an electro-Fenton reaction system including a catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an X-ray diffraction pattern (XRD pattern) of catalysts according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing in situ diffuse reflectance infrared fourier transform (DRIFT) spectroscopy results of catalyst surfaces according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing XPS results in the O 1s region of catalysts according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing XPS results in the S 2p region of catalysts according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the results of a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) decomposition reaction experiment using catalysts according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the results of an electrical Fenton phenol decomposition reaction experiment using catalysts according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the results of an electrical Fenton phenol decomposition reaction experiment using catalysts according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the conversion rate of phenol decomposed over time when the catalyst according to an embodiment of the present invention is used.
11 is a graph showing the results of an electrical Fenton phenol decomposition cycle (recycle) reaction experiment using a catalyst according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the results of an electric Fenton aniline decomposition reaction experiment using catalysts according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0023] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions in various aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily practice the present invention.

전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매Catalysts for Electrical Fenton Reaction Systems

본 발명은 표면이 SO4 2-로 기능화된 [화학식 1]로 표시되는 촉매결정입자를 적어도 한 종 이상 포함하는, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매 및 이를 포함하는 전극 및 이를 이용한 전기적 펜톤 반응 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for an electric Fenton reaction system comprising at least one kind of catalyst crystal grains represented by [Formula 1] functionalized with SO 4 2-, an electrode comprising the same, and an electric Fenton reaction system using the same will be.

[화학식 1][Formula 1]

(MA)Z(MB)3-ZO4 (M A) Z (M B ) 3-Z O 4

(여기서, MA 및 MB는 금속이고, Z는 0 내지 3 사이의 값을 가지는 실수임) (where M A and M B are metals, and Z is a real number having a value between 0 and 3)

상기 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자의 경우, 금속종(MA 또는 MB)의 산화가가 1가에서 4가 사이에서 변화할 수 있다. 보다 구체적으로, SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자에 포함되는 금속종(MA 또는 MB)은 Li(리튬), Mg(마그네슘), Ca(칼슘), Ba(바륨), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합일 수 있다.The SO 4 2- The (M A) functionalized with Z (M B) 3-Z O 4 crystals for the particles, the oxidation of metal species (M A or M B) is one of 4 can be changed between in have. More particularly, the metal species (M A or M B) included in the (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 crystal grains functionalized to SO 4 2- is Li (lithium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Ba (barium), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), cadmium (Cd), titanium (Ti), It may be at least one selected from the group consisting of germanium (Ge), tin (Sn), aluminum (Al), chromium (Cr), gallium (Ga), and indium (In), or a combination thereof.

전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 특정한 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자를 형성하기 위해 통상적으로 적용될 수 있는 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 촉매에 포함되는 전이금속 산화물 결정입자는 수열합성법(hydrothermal synthesis), 용매열합성법(solvothermal synthesis), 볼-밀링법(mechano-chemical method (ball-milling)), 비템플레이트 또는 템플레이트합성법(non-templated or templated method), 함침법(impregnation method), 딥코팅법(dip coating), 소성열분해법(calcination or thermal decomposition method using M-including complex)들 중 하나 이상의 방법으로 제조될 수 있다.Electrical Fenton reaction system catalyst may be prepared in a certain (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 crystal way typically be applied to form the particles. For example, the transition metal oxide crystal grains included in the catalyst are hydrothermal synthesis, solvothermal synthesis, mechano-chemical method (ball-milling), non-template or template synthesis method. (non-templated or templated method), impregnation method, dip coating method, calcination pyrolysis method (calcination or thermal decomposition method using M-including complex) can be prepared by one or more methods.

전기적 펜톤 반응 시스템은 애노드에서 H2O 산화반응 (H2O → ·OH + H+ + e-)에 의해 형성되는 ·OH종들을 캐소드에 코팅된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자에 존재하는 SO4 2- 기능기들의 액티베이터로써 사용하여 SO4 ·- 표면종들을 형성할 수 있다. 상기 H2O 산화반응을 촉진하기 위하여 다양한 형태의 도전성 물질이 애노드로써 적용될 수 있는데, 예를 들어 그래파이트(graphite)가 애노드로 적용될 수 있다. Electrical Fenton reaction system at the anode H 2 O oxidation (H 2 O → · OH + H + + e -) A (M A) coated on the · OH species formed at the cathode by Z (M B) 3-Z O 4 crystal SO 4 and used as the activator of the SO 4 2- functional groups present on the particle, - it is possible to form the surface thereof. In order to promote the H 2 O oxidation reaction, various types of conductive materials may be applied as an anode, for example, graphite may be applied as an anode.

또한, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 캐소드에서 산소 환원반응 (2H+ + O2 + 2e- → H2O2)에 의해 형성되는 과산화수소를 분해하는데 적용되는 MA δ+ 또는 MB δ+(δ≤2) 활성 종들을 촉매 표면에 포함할 수 있다. 구체적으로, MA δ+ 또는 MB δ+(Mδ+으로 명명) 활성점을 이용하여 균일촉매 반응(homogeneous catalysis) 또는 불균일촉매 반응(heterogeneous catalysis)를 기반으로 과산화수소 촉매분해반응(H2O2·OH + OH-)을 활성화시키고, 반응 결과 형성된 ·OH종들을 이용하여, 캐소드에 코팅된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자에 존재하는 SO4 2- 기능기들을 SO4 ·- 표면종으로 변환할 수 있다. 따라서, 상기 과산화수소 촉매분해반응을 촉진하기 위하여 Mδ+ 활성점을 많이 포함하되, 저가의 합성이 용이한 (역)스피넬계 단일/이종금속 산화물 촉매들((MA)Z(MB)3-ZO4)을 캐소드에 코팅되는 촉매로 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the catalyst for the electric Fenton reaction system is applied to decompose hydrogen peroxide formed by the oxygen reduction reaction (2H + + O 2 + 2e - → H 2 O 2 ) at the cathode M A δ+ or M B δ+ (δ ≤2) active species may be included on the catalyst surface. Specifically, a hydrogen peroxide catalytic decomposition reaction (H 2 O) based on homogeneous catalysis or heterogeneous catalysis using M A δ+ or M B δ+ ( named M δ+) active sites 2· OH + OH -) and the activation, the reaction results formed · SO 4 2- function for using the OH species, the coating on the cathode (M a) present in the Z (M B) 3-Z O 4 crystal grains It can be converted into the surface species - the group SO 4 ·. Thus, the hydrogen peroxide M δ + but contains a lot of active points, single / two kinds of metal oxide catalysts is the synthesis of low-cost easy (reverse) spinel, to facilitate the catalytic decomposition reaction ((M A) Z (M B) 3 -Z O 4 ) is preferably used as a catalyst to be coated on the cathode.

또한, 전기적 펜톤 반응 시스템 촉매는 상술된 ·OH종들에서 촉매표면의SO4 2- 기능기들로의 라디칼 이동(radical transfer)을 바탕으로 SO4 ·- 표면종들을 형성시킬 수 있고, 이들을 이용하여, 난분해성 유기물들의 분해를 촉진시킬 수 있다. 따라서, 전이금속 산화물 촉매 표면에 SO4 2- 기능기들을 많이 함유할 수 있는 (역)스피넬계 단일/이종금속 산화물 촉매들((MA)Z(MB)3-ZO4)을 캐소드에 코팅되는 촉매로 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the electrical system Fenton reaction catalysts are SO 4 · on the basis of radical movement (transfer radical) to SO 4 2- functional groups of the surface of the catalyst in the above-mentioned species, · OH - it is possible to form the surface species, by using them, It can promote the decomposition of difficult-to-decompose organic substances. Therefore, in the transition metal oxide catalyst surface SO 4 2- in the functional group can contain a lot of (inverse) spinel single / dissimilar metal oxide catalyst to the ((M A) Z (M B) 3-Z O 4), the cathode It is preferable to use it as a catalyst to be coated.

상술한 바와 같이 전이금속 촉매 표면에 Mδ+들 및 SO4 2- 기능기들이 극대화될 수 있는 (역)스피넬계 단일/이종금속 산화물((MA)Z(MB)3-ZO4) 촉매표면을 구현하되, (MA)Z(MB)3-ZO4 표면의 MA/MB의 종류, 화학양론(Z) 또는 SO4 2- 기능화 (황산화) 조건을 조절하여 촉매 성능을 향상시킬 수 있다. The transition metal catalyst surfaces δ M + and SO 4 2- are functional groups (reverse) spinel single / different metal oxides ((M A, which may be maximized as described above), Z (M B) 3-Z O 4 ), but the implementation of the catalyst surface, by controlling the (M a) Z (M B) 3-Z O 4 type of M a / M B of the surface, a stoichiometric (Z), or SO 4 2- functionalized (sulfated) conditions The catalyst performance can be improved.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 황산화 처리는 SO2 및 O2를 포함하는 반응기체에 의해 수행될 수 있다. SO2 및 O2의 농도는 10ppm 내지 105ppm의 범위를 가지고, 유속(flow rate)은 10-5mL min-1 내지 105mL min-1, 압력은 10-5bar 내지 105bar의 범위를 가질 수 있다. 그리고, 황산화 처리는 200℃ 내지 800℃의 온도범위에서 0.1시간 내지 24시간동안 수행될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the sulfation treatment may be performed by a reactive gas including SO 2 and O 2 . The concentration of SO 2 and O 2 is in the range of 10 ppm to 10 5 ppm, the flow rate is 10 -5 mL min -1 to 10 5 mL min -1 , and the pressure is 10 -5 bar to 10 5 bar. can have a range. In addition, the sulfuration treatment may be performed at a temperature range of 200° C. to 800° C. for 0.1 hours to 24 hours.

촉매를 황산화 처리하기 위한 조건이 전술한 범위 이하인 경우, (MA)Z(MB)3-ZO4 촉매의 SO4 2- 기능화 효과가 부족할 수 있다. 또한, 전술한 범위 이상인 경우, (MA)Z(MB)3-ZO4 표면의 과도한 기능화에 의하여 과산화수소 촉매분해 반응의 활성을 증진시키는 Mδ+종들이 소멸될 수 있다. 따라서, 촉매의 황산화 처리는 상술한 조건의 범위 내에서 수행될 수 있다.If the conditions for processing the sulfated catalyst less than the foregoing range, (M A) Z may be out of SO 4 2- functionalized effect of (M B) 3-Z O 4 catalyst. In addition, it can be not less than the foregoing range, (M A) Z (M B) 3-Z O 4 + δ M species that promote hydrogen peroxide decomposition reaction activity of the catalyst by the excess of functionalized surfaces are destroyed. Therefore, the sulfation treatment of the catalyst can be performed within the range of the above-mentioned conditions.

본 발명의 실시예에 의한 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 표면적이 넓을수록 Mδ+종들에 의한 ·OH들의 형성속도 및 ·OH종들에 의한 촉매 표면의SO4 2- 기능기들의 SO4 ·- 표면종들로의 전환 속도가 빨라질 수 있다(반응식 1 및 2). 상술한 속도들이 빠를수록, SO4 ·- 표면종들이 반응 시스템 내부에 풍부해지므로 궁극적으로 유해물질의 분해를 촉진시킬 수 있다.Embodiment for electrically Fenton reaction system, the catalyst according to the embodiment of the present invention, a surface area of more wide δ M + OH, in the form of the speed and by the species of the catalyst surface, SO SO 4 2- of the functional group of the OH species, 4-surface The rate of conversion to species can be accelerated (Schemes 1 and 2). The faster that the above-mentioned speed, SO 4 · - so to surface species are abundant in the reaction system may eventually promote decomposition of harmful substances.

반응식 (1): SO4 2- + ·OH + H+ →SO4 ·-+ H2O Scheme (1): SO 4 2- + · OH + H + →SO 4 ·- + H 2 O

반응식 (2): SO4 2- + ·OH → SO4 ·- + OH- Scheme (2): SO 4 2- + · OH → SO 4 ·- + OH -

본 발명의 일 실시예에 따르면, SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자는 다공성 구조일 수 있고, 직경이 0.1 nm 내지 500㎛일 수 있다. According to one embodiment of the invention, the (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 crystal grains functionalized with SO 4 2- may be a porous structure, the number of days that 0.1 nm to 500㎛ diameter.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 SO4 2-로 기능화된 MnZFe3-ZO4(Z = 3, 2, 1.5, 1, 0; MnZ로 명명) 촉매들의 모폴로지를 나타낸다.1 shows the morphology of Mn Z Fe 3-Z O 4 (Z = 3, 2, 1.5, 1, 0; named Mn Z ) catalysts functionalized with SO 4 2- according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자가 1) 크기가 작거나, 2) 다공성 또는 돌기가 형성된 거친 표면을 가질 경우, 표면적이 증가하여 과산화수소 촉매분해 반응이 빨라지기 때문에 ·OH들의 형성속도 및 ·OH종들에 의한 촉매 표면 SO4 2- 기능기들의 SO4 ·- 표면종들로의 전환 속도가 빨라질 수 있다.As shown in Figure 1, (M A) Z ( M B) 3-Z O 4 crystal grains are 1) size is less than or, 2) a porous or case have a rough surface projections are formed, the surface area is increased hydrogen peroxide because the catalytic cracking reaction is faster · SO 4 catalyst of SO 4 2- surface functional groups by the formation rate and species of the · OH · OH - can accelerate the rate of conversion to the surfaces thereof.

또한, (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자가 상술한 2가지 특징을 가지는 경우, 캐소드에 더 강한 세기로 코팅될 수도 있다. 이는 전기적 펜톤 반응이 수행되는 전해질 수용액의 와류 및 외부의 전력에 의한 촉매의 박리(leaching)현상이 감소하여 전극의 수명이 증가하는 것을 의미한다. 촉매가 전극으로부터 박리될 경우, ·OH 생성반응 또는 SO4 ·-에 의한 난분해성 유기물들의 분해반응이 균일촉매 반응(homogeneous catalysis) 기반의 박리된 촉매종들에 의하여 진행될 수 있다. 이 경우, 난분해성 유기물 분해의 효율이 감소하고 전기적 펜톤 촉매의 사용 횟수를 제한시키는 문제점을 가진다.Further, (M A) when Z has the (M B) 3-Z O 4 determine two features of the particle is described above, it may be coated with a stronger intensity to a cathode. This means that the eddy current of the aqueous electrolyte solution in which the electric Fenton reaction is performed and the leaching phenomenon of the catalyst due to external power are reduced, so that the life of the electrode is increased. When the catalyst is peeled off from the electrode, · OH generation reaction or SO 4 · · decomposition of difficult-to-decompose organics can be carried out by the exfoliated catalyst species based on homogeneous catalysis. In this case, there is a problem in that the efficiency of decomposing difficult-to-decompose organic substances is reduced and the number of times of use of the electric Fenton catalyst is limited.

즉, 박리현상이 감소할수록, ·OH 생성반응 또는 SO4 ·-에 의한 난분해성 유기물들의 분해반응이 캐소드에 코팅된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자에 의한 불균일촉매 반응(heterogeneous catalysis)에 의해 일어나기 때문에 전기적 펜톤 반응 촉매의 성능을 여러 번 사용 이후에도 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자는 전극으로부터의 박리를 억제하기 위해 다공성의 거친 표면특성을 가질 수 있다.That is, the more reduced the peeling phenomenon, · OH generated reaction or SO 4 · - a i by the decomposition reaction of the decomposable organic material coated on the cathode (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 crystal heterogeneous catalyst according to the particle Because it occurs by heterogeneous catalysis, the performance of the electric Fenton reaction catalyst can be maintained even after several uses. Therefore, (M A) Z (M B) 3-Z O 4 crystal grains in accordance with an embodiment of the present invention may have a rough surface characteristic of the porous in order to suppress the release from the electrodes.

전기적 펜톤 반응 시스템용 전극Electrodes for Electrical Fenton Reaction Systems

이하에서는, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매를 포함하는 전극에 대하여 설명한다.Hereinafter, an electrode including a catalyst for an electric Fenton reaction system will be described.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전기적 펜톤 반응 시스템용 전극은 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매를 포함하는 전기적 펜톤 반응 시스템용 전극으로서, 상기 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매가 담지되는 담지체, 상기 촉매가 담지된 담지체가 형성되는 기판 및 상기 담지체와 기판 사이에 개재되어 코팅 접착력을 증가시키는 바인더를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an electrode for an electric Fenton reaction system is an electrode for an electric Fenton reaction system including a catalyst for an electric Fenton reaction system, a carrier on which the catalyst for the electric Fenton reaction system is supported, the catalyst is supported It may include a substrate on which a support is formed and a binder interposed between the support and the substrate to increase coating adhesion.

전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 상술한 바와 같이, SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4를 포함한다. 촉매는 기판에 직접 코팅될 수도 있지만, 보다 안정적으로 효율적인 전극 구성을 위해, 담지체에 담지될 수 있다. 이때, 담지체는 기판의 적어도 일 면에 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 기판의 양면에 코팅될 수 있다. 기판은 전기화학반응에서 통상적으로 사용되는 종류의 도전성물질일 수 있다. 예를 들어, 그레파이트 또는 구리, 알루미늄 등과 같은 금속이 사용될 수 있다.For the electrical system, the Fenton reaction catalyst, comprising a (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 -functionalized with SO 4 2- as described above. The catalyst may be directly coated on the substrate, but may be supported on a support for more stable and efficient electrode construction. In this case, the carrier may be formed on at least one surface of the substrate, and preferably, it may be coated on both surfaces of the substrate. The substrate may be a type of conductive material commonly used in electrochemical reactions. For example, graphite or a metal such as copper, aluminum or the like may be used.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 담지체는 탄소(C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나이고, 담지체 100중량부 대비 상기 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 0.01 내지 50중량부를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the support is any one of carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2 , and 100 parts by weight of the support. The catalyst for the electric Fenton reaction system may contain 0.01 to 50 parts by weight.

촉매가 담지된 담지체는 함침법(impregnation method)를 이용하여 기판에 코팅될 수 있다. 이때, ·OH 생성반응 또는 SO4 ·-에 의한 난분해성 유기물들의 분해반응의 효율성 증진 및 ·OH의 촉매 표면SO4 2- 기능기로의 원활한 이동을 위하여 코팅되는 촉매의 함량을 조절할 수 있다.The catalyst-supported carrier may be coated on the substrate using an impregnation method. At this time, the content of the coated catalyst can be adjusted to improve the efficiency of · OH generation reaction or the decomposition reaction of difficult-to-decompose organics by SO 4 ·- and · OH to smoothly move to the surface SO 4 2-functional group of the catalyst.

촉매와 기판의 코팅시, 바인더(binder)를 사용하여 촉매와 기판사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 이때, 바인더는 불용성 고분자일 수 있고, 바람직하게는, 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)일 수 있다. 바인더는, 촉매가 담지된 담지체와 기판의 코팅 접착력을 향상시킬 수 있는데, 불용성 특성을 가질 경우, 전기적 펜톤 반응을 반복하여 수행하여도 바인더가 수용액에 녹지 않아 촉매의 박리현상을 방지할 수 있다. 즉, 촉매의 박리를 억제하여 전기적 펜톤 반응 시스템용 전극의 수명특성을 향상시킬 수 있다.When the catalyst and the substrate are coated, the adhesion between the catalyst and the substrate may be improved by using a binder. In this case, the binder may be an insoluble polymer, preferably, polyvinylidene fluoride (PVDF). The binder can improve the coating adhesion between the catalyst-supported carrier and the substrate, and if it has insoluble properties, the binder does not dissolve in the aqueous solution even if the electric Fenton reaction is repeatedly performed, so that the peeling of the catalyst can be prevented. . That is, it is possible to improve the lifetime characteristics of the electrode for the electric Fenton reaction system by suppressing the peeling of the catalyst.

전기적 펜톤 반응 시스템Electrical Fenton Reaction System

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매(160)를 포함하는 전기적 펜톤(electro-Fenton) 반응 시스템(100)을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating an electro-Fenton reaction system 100 including a catalyst 160 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 전기적 펜톤 반응 시스템(100)은, 전해조(110), 전해질 수용액(120), 제1전극(anode)(130) 및 촉매(160)가 코팅되는 제2 전극(cathode)(140)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)은 전원에 의하여 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제안된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자를 포함하는 촉매(160)가 코팅되지 않은 애노드(130)를 사용하여 H2O 산화반응에 의한 풍부한 ·OH종들을 생성시킨다. 또한, 본 발명에서 제안된 (MA)Z(MB)3-ZO4 결정입자를 포함하는 촉매(160)가 코팅된 캐소드(140)를 사용하여, 캐소드 표면에서 발생하는 H2O2의 전이금속 산화물 촉매 표면에 포함된 Mδ+종들에 의한 즉각적인 과산화수소 촉매분해 반응을 구현한다. 이로 인하여, 특정한 반응조건에서 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis)에 기반한 과산화수소 촉매분해 반응에 의한 ·OH종들의 생성속도가 추가적으로 증대된다. 2, the electric Fenton reaction system 100 is a second electrode (cathode) on which the electrolyzer 110, the aqueous electrolyte solution 120, the first electrode 130 and the catalyst 160 are coated ( 140) may be included. The first electrode 130 and the second electrode 140 may be connected by a power source. A (M A) proposed by the embodiment of the invention Z (M B) 3-Z O 4 crystal catalyst (160) comprising particles is by using the non-coated anode (130) rich by H 2 O oxidation Produces OH species. Further, by using the (M A) Z (M B) 3-Z O 4 crystals coated with the cathode 140, the catalyst 160 containing particles proposed by the present invention, H 2 O 2 generated from the cathode surface The instantaneous hydrogen peroxide catalytic decomposition reaction is realized by M δ+ species contained on the surface of the transition metal oxide catalyst. Due to this, the rate of production of · OH species by the hydrogen peroxide catalytic decomposition reaction based on heterogeneous catalysis under specific reaction conditions is further increased.

중요하게도, 상술한 H2O 산화반응 및 과산화수소 촉매분해 반응에 의하여 형성된 ·OH종들의 생성속도가 클수록, 1)·OH종들의 캐소드(140)에 코팅된 촉매(160) 표면에 존재하는 SO4 2- 기능기로의 이동속도가 증가하고, 2)·OH 및 SO4 2- 사이의 라디칼 이동(radical transfer) 반응에 의하여 SO4 ·-종들을 촉매표면에 형성시키는 속도 또한 증가하며, 3)궁극적으로 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis)에 기반한 SO4 ·-종들에 의한 유기 물질의 고효율 분해가 가능하다.Importantly, the above-described H 2 O oxidation and hydrogen peroxide catalyst the greater the production rate of the formed · OH species by decomposition, 1) · SO 4 present in the catalyst 160, the surface coating to the cathode 140 of the OH species 2- The movement speed to the functional group increases, 2) · OH And SO 4 SO 4 · by radical movement (transfer radical) reaction between 2-growing species to form on the surface of the catalyst addition rate, and, 3) SO 4 · based on the ultimate heterogeneous catalytic reactions to (heterogeneous catalysis) - species High-efficiency decomposition of organic materials is possible by

제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 그래파이트일 수 있다. 제 2 전극(140)의 적어도 일면에는 촉매(160)가 코팅될 수 있으며, 촉매(160)는 상술한 본 발명의 실시예에 따른, SO4 2-로 기능화된 MnZFe3-ZO4(Z = 3, 2, 1.5, 1, 0; MnZ로 명명) 결정입자를 포함하는 촉매일 수 있다.The first electrode 130 and the second electrode 140 may be made of a conductive material. For example, it may be graphite. At least one surface of the second electrode 140 may be coated with the catalyst 160, the catalyst 160 is Mn Z Fe 3-Z O 4 functionalized with SO 4 2- according to the embodiment of the present invention described above. (Z = 3, 2, 1.5, 1, 0; named as Mn Z ) It may be a catalyst including crystal grains.

전해질 수용액(120)은 전기적 펜톤 반응에 사용되는 수용액으로, 10-4 내지 10 mol/L의 농도를 가지는 Na2SO4, NaNO3, NH4F, KF, KCl, KBr, KI, NaF, NaCl, NaBr, NaI들 중 어느 하나 또는 그 조합이 선택적으로 사용될 수 있다.The aqueous electrolyte solution 120 is an aqueous solution used for the electrical Fenton reaction, and has a concentration of 10 -4 to 10 mol/L Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NH 4 F, KF, KCl, KBr, KI, NaF, NaCl , NaBr, NaI, any one or a combination thereof may be optionally used.

이하에는, 전기적 펜톤 반응 시스템(100)에서 일어나는 촉매반응을 통해 유기 물질이 분해되는 과정에 대하여 설명한다. 전기적 펜톤 반응 시스템(100)에서 일어나는 반응을 하기의 반응식 (3) 내지 (10)로 정리하였다.Hereinafter, a process in which an organic material is decomposed through a catalytic reaction occurring in the electric Fenton reaction system 100 will be described. The reactions occurring in the electric Fenton reaction system 100 are summarized in the following reaction formulas (3) to (10).

반응식(3): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Scheme (3): 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

반응식(4): O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 Scheme (4): O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O 2

반응식(5): M(δ+1)+ + e- → Mδ+ Scheme (5): M (δ+1)+ + e - → M δ+

반응식(6): Mδ+ + H2O2 → M(δ+1)+ + OH- + ·OHScheme (6): M δ+ + H 2 O 2 → M (δ+1)+ + OH - + · OH

반응식(7): H2O →·OH + H+ + e- Reaction Scheme (7): H 2 O → · OH + H + + e -

반응식(8): SO4 2- + ·OH + H+ → SO4 ·- + H2O Scheme (8): SO 4 2- + · OH + H + → SO 4 ·- + H 2 O

반응식(9): SO4 2- + ·OH → SO4 ·- + OH- Scheme (9): SO 4 2- + · OH → SO 4 ·- + OH -

반응식(10): SO4 ·- + e- → SO4 2- Scheme (10): SO 4 ·- + e - → SO 4 2-

먼저, 제1 전극(130)에서 외부전원에 의한 산화반응으로 물이 산소(O2)와 수소이온(H+)으로 분해된다. 그리고, 이때 형성된 산소(O2)와 수소이온(H+)은 제 2 전극(140)에서 환원 반응하여 과산화수소(H2O2)를 형성하게 된다. 생성된 과산화수소수는 전이금속 산화물 결정 입자에 포함된 산화수 2가 이하의 금속종(Mδ+)과 반응하여 산화수 (δ+1)가 금속종(M(δ+1)+) 및 ·OH을 형성하고, 산화수 (δ+1)가 금속종(M(δ+1)+)은 전자 (e-)에 의하여 환원되어 산화수 2가 이하의 금속종(Mδ+)을 회복한다. 이는 종래의 산화수 2가 이하의 금속종(Mδ+)과 과산화수소(H2O2)의 반응시 형성되는 산화수 (δ+1)가 금속종(M(δ+1)+)의 산화수 2가 이하의 금속종(Mδ+)으로의 회복문제를 해결하고, 물의 전기분해로 인한 산소(O2)의 공급으로 지속적인 과산화수소수(H2O2)의 공급이 가능하다. 또한, 제 1전극(130)에서 H2O의 oxidation에 의한 ·OH의 지속적인 공급 또한 가능하다.First, water is decomposed into oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (H + ) by an oxidation reaction by an external power source in the first electrode 130 . In addition, oxygen (O 2 ) and hydrogen ions (H + ) formed at this time undergo a reduction reaction at the second electrode 140 to form hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). The number of generated hydrogen peroxide, a transition metal oxide crystals the oxidation divalent metal species or less contained in the particles (M δ +) and the metal species react with the oxidation number (δ + 1) (M ( δ + 1) +) and · OH The metal species having an oxidation number (δ+1) (M (δ+1)+ ) is reduced by electrons (e ) to recover a metal species having an oxidation number of 2 or less (M δ+ ). This means that the oxidation number (δ+1) formed during the reaction of a metal species having an oxidation number of 2 or less (M δ+ ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is the oxidation number of a metal species (M (δ+1)+ ) It is possible to solve the problem of recovery to the following metal species (M δ+ ), and to continuously supply hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) by supplying oxygen (O 2 ) due to electrolysis of water. In addition, continuous supply of · OH by oxidation of H 2 O in the first electrode 130 is also possible.

즉, 제 1전극(130)에서 일어나는 H2O 산화반응 및 제 2전극(140)에서 일어나는 과산화수소 촉매분해 반응이 ·OH의 생성율을 증가시키되, 생성된 ·OH가 제 2전극 표면에 코팅된 촉매(160) 표면의 SO4 2- 기능기와 상호 작용하여 SO4 ·- 표면종을 형성시킨다. 코팅된 촉매(160) 표면의 SO4 2- 기능기가 풍부할수록 SO4 ·- 표면종의 생성율이 증대되고, 따라서 SO4 ·-에 의한 유기 물질의 분해반응의 성능을 향상시킬 수 있다. 유기물의 분해에 사용되지 않는 SO4 ·-의 경우, 전자(e-)에 의하여 환원되어 SO4 2- 기능기로 회복되고, 추후 지속적으로 SO4 ·- 표면종의 형성에 사용될 수 있다.In other words, the sikidoe peroxide catalyst degradation reactions that occur in the first electrode (130) H 2 O oxidation, and a second electrode 140 takes place in, increasing the production rate of OH, generated · OH is coated on the second electrode surface of the catalyst (160) The surface of SO 4 interacts with 2- functional groups to form SO 4 ·- surface species. The more abundant of the surface functional groups are SO 4 2- coated catalyst (160) SO 4 · - it is possible to improve the performance of the decomposition reaction of the organic material by - increasing the production rate of the surface species and, therefore, SO 4 ·. In the case of SO 4 ·- , which is not used for decomposition of organic matter, it is reduced by electrons (e - ) to recover the SO 4 2- functional group, and can be continuously used for the formation of SO 4 ·- surface species in the future.

상기의 반응을 통해 생성되는 SO4 ·-은 난분해성 또는 독성의 유기물질을 분해할 수 있다. 유기물질은 페놀을 기반으로 한 독성물질, 발암물질 및 돌연변이성 물질일 수 있다. 구체적으로는, 단일고리형(monocyclic) 또는 다중고리형(polycyclic) 방향족(aromatics)물질의 탄소들 중 적어도 하나가 산소(O), 질소(N) 또는 황(S)으로 치환된 구조를 주사슬(backbone)로 가지되, 알케인(alkane), 알켄(alkene), 알카인(alkyne), 아민(amine), 아마이드 (amide), 니트로 (nitro), 알코올(alcohol), 에터(ether), 할라이드(halide), 싸이올(thiol), 알데히드(aldehyde), 케톤(ketone), 에스터(ester), 카르복실산(carboxylic acid) 등의 다양한 작용기 또는 그들의 유도체를 포함하는 물질일 수 있다. SO 4 ·- generated through the above reaction can decompose difficult-to-decompose or toxic organic substances. Organic substances can be phenol-based toxic substances, carcinogens and mutagenic substances. Specifically, a structure in which at least one of carbons of a monocyclic or polycyclic aromatic material is substituted with oxygen (O), nitrogen (N) or sulfur (S) is a main chain Branched as a backbone, alkane, alkene, alkyne, amine, amide, nitro, alcohol, ether, halide (halide), thiol (thiol), aldehyde (aldehyde), ketone (ketone), ester (ester), may be a material containing various functional groups such as carboxylic acid (carboxylic acid) or derivatives thereof.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매의 반응이 일어나는 전해질 수용액의 pH는 5 내지 10이고, 전기적 펜톤 반응은 2W이하의 전력에서 수행될 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the pH of the aqueous electrolyte solution in which the reaction of the catalyst occurs is 5 to 10, and the electric Fenton reaction may be performed at a power of 2W or less.

전기적 펜톤 반응의 전해질 수용액(120) 내부의 제 2전극(140)에 코팅된 촉매표면에서 SO4 ·- 생성이 일어나고, SO4 ·-에 의한 유기 물질의 분해반응이 진행된다. 이때, 전해질 수용액(120)의 pH가 산성(pH < 5) 또는 염기성(pH > 10)이거나 외부의 전력이 2W 초과일 경우, 제 2전극(140)에 코팅된 촉매(160)에서 전이금속 산화물 결정입자 또는 SO4 2- 기능기의 박리가 일어날 수 있다. 박리에 의한 단일계(homogeneous)의 산화가 2가 이하의 금속이온(Mδ+) 및 SO4 2- 기능기가 전해질 수용액의 pH를 변화시키고, ·OH 및 SO4 ·- 생성반응들의 주요 활성인자가 될 수 있다. 상기 박리 현상은 장기간 펜톤 반응 진행시, 전기적 펜톤 반응 시스템의 유기물질 분해 효율 및 내구성을 낮춘다. 따라서, 고효율의 지속적인 유기물질 분해를 위하여 전기적 펜톤 반응 시스템은 전해질 수용액(120)의 pH가 5 내지 10에서 2W 이하의 전력이 입력될 수 있고, 더욱 바람직하게는, 전해질 수용액(120)의 pH가 7에서 0.04W 이하의 전력이 입력될 수도 있다. SO 4 ·- is generated on the surface of the catalyst coated on the second electrode 140 inside the aqueous electrolyte solution 120 of the electric Fenton reaction, and the decomposition reaction of the organic material by SO 4 ·- proceeds. At this time, when the pH of the aqueous electrolyte solution 120 is acidic (pH < 5) or basic (pH > 10) or the external power is more than 2W, the transition metal oxide in the catalyst 160 coated on the second electrode 140 Separation of crystal grains or SO 4 2- functional groups may occur. Oxidation of homogeneous by exfoliation changes the pH of the aqueous electrolyte solution with a metal ion (M δ+ ) and SO 4 2- functional group with a divalence or less, and is a major active factor in OH and SO 4 − production reactions. can be The peeling phenomenon lowers the organic material decomposition efficiency and durability of the electric Fenton reaction system when the Fenton reaction proceeds for a long period of time. Therefore, in the electric Fenton reaction system for high-efficiency and continuous decomposition of organic materials, power of 2 W or less can be input when the pH of the aqueous electrolyte solution 120 is 5 to 10, and more preferably, the pH of the aqueous electrolyte solution 120 is 7 to 0.04W or less of power may be input.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments for helping understanding of the present invention will be described. However, the following examples are provided only to help the understanding of the present invention, and the embodiments of the present invention are not limited to only the following examples.

실시예Example

실시예 1 내지 실시예 5: MnExamples 1 to 5: Mn ZZ (Z = 3, 2, 1.5, 1, 0) 촉매의 제조(Z = 3, 2, 1.5, 1, 0) Preparation of catalyst

표 1에서 제시된 바, 다공성의 결정형 MnZ 촉매들을 용매열 합성법으로 제조하였다. 구체적으로, (Z×10)mmol의 MnCl2·4H2O, ((3-Z)×10)mmol의 FeCl3·6H2O, 3.6g의 NaNO3 및 1g의 폴리에틸렌글리콜이 포함된 177.6g의 에틸렌글리콜 용액을 30분 동안 25℃에서 교반시킨 후 오토클레이브 반응기에서 200°C에서 12시간 동안 용매열 반응 조건에 노출시킨 후 고형물을 수득한다. 수득된 고형물을 증류수 및 에탄올을 이용하여 여과/세척하고, 70℃에서 건조한 후, 100℃에서 1시간 건조하여 MnZ 촉매들을 제조하고, 이들을 실시예 1 내지 실시예 5로 지칭한다. 이하, 실시예 1 내지 5에 따른 Mn3O4, Mn2Fe1O4, Mn1.5Fe1.5O4, Mn1Fe2O4, Fe3O4 촉매를 망간의 몰비에 따라 각각 Mn3, Mn2, Mn1.5, Mn1, Mn0라 명명하기로 한다.As shown in Table 1, porous crystalline Mn Z catalysts were prepared by solvothermal synthesis. Specifically, 177.6 g of (Z×10) mmol of MnCl 2 .4H 2 O, ((3-Z)×10) mmol of FeCl 3 .6H 2 O, 3.6 g of NaNO 3 and 1 g of polyethylene glycol of ethylene glycol solution was stirred at 25 °C for 30 minutes, and then exposed to solvothermal reaction conditions at 200 °C for 12 hours in an autoclave reactor to obtain a solid. The obtained solid was filtered/washed using distilled water and ethanol, dried at 70° C., and dried at 100° C. for 1 hour to prepare Mn Z catalysts, which are referred to as Examples 1 to 5. Hereinafter, the Mn 3 O 4, Mn 2 Fe 1 O 4, Mn 1.5 Fe 1.5 O 4, Mn 1 Fe 2 O 4, Fe 3 O 4 catalysts according to Examples 1 to 5 are respectively prepared according to the molar ratio of manganese. Mn 3, Mn 2, Mn 1.5, Mn 1, Mn 0 will be named.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 전구체precursor MnCl4H2O(mmol)MnCl 2 4H 2 O (mmol) 3030 2020 1515 1010 00 FeCl6H2O(mmol)FeCl 3 6H 2 O (mmol) 00 1010 1515 2020 3030 생성물product Mn3(Mn3O4)Mn 3 (Mn 3 O 4 ) Mn2
(Mn2Fe1O4)
Mn 2
(Mn 2 Fe 1 O 4 )
Mn1.5
(Mn1.5Fe1.5O4)
Mn 1.5
(Mn 1.5 Fe 1.5 O 4 )
Mn1(Mn1Fe2O4)Mn 1 (Mn 1 Fe 2 O 4 ) Mn0(Fe3O4)Mn 0 (Fe 3 O 4 )

실시예 6 내지 실시예 10: MnExamples 6 to 10: Mn ZZ (S)(Z = 3, 2, 1.5, 1, 0) 촉매의 제조(S) (Z = 3, 2, 1.5, 1, 0) Preparation of catalyst

상기 실시예 1 내지 5에 의하여 제조된 Mnz 촉매들을 N2으로 희석(dilution)된 500ppm의 SO2/3vol.%의 O2 분위기 및 500mL min-1의 유속 하에서 500℃에서 1시간 노출시키고 이후 N2 분위기 하에서 상온으로 냉각시킨다. 상기의 조건에 따라 제조된 MnZ(S) 촉매들을 실시예 6 내지 실시예 10으로 지칭한다. 이하, 실시예 6 내지 10에 따른 촉매를 망간의 몰비에 따라 각각 Mn3(S), Mn2(S), Mn1.5(S), Mn1(S), Mn0(S) 라 명명하기로 한다. The Mn z catalysts prepared in Examples 1 to 5 were exposed at 500° C. for 1 hour under an atmosphere of 500 ppm SO 2 /3 vol.% O 2 and a flow rate of 500 mL min -1 diluted with N 2 and then Cool to room temperature under N 2 atmosphere. The Mn Z (S) catalysts prepared according to the above conditions are referred to as Examples 6 to 10. Hereinafter, the catalysts according to Examples 6 to 10 were prepared according to the molar ratio of manganese, respectively. Mn 3 (S) , Mn 2 (S) , Mn 1.5 (S) , Mn 1 (S) , Mn 0 (S) will be named.

상기 실시예 1 내지 실시예 10을 통하여 제조된 촉매들을 X-선 회절기(X-ray diffractometer(XRD))를 사용하여 분석하였고, 그 결과 도출된 X-선 회절패턴(XRD pattern)을 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 실시예 1의 촉매는 정상 스피넬(normal spinel) 타입의 정방정상(tetragonal Mn3O4 phase)를 가지고, 실시예 2의 촉매는 부분적인 정상 스피넬(normal spinel) 타입의 입방정상(cubic Mn2Fe1O4 phase)를 가지며, 실시예 4의 촉매는 부분적인 역스피넬(inverse spinel) 타입의 입방정상(cubic Mn1Fe2O4 phase)를 가지고, 실시예 5의 촉매는 역스피넬(inverse spinel) 타입의 입방정상(cubic Fe3O4 phase)을 가짐을 알 수 있다. 반면에 실시예 3의 촉매는 기존에 보고되지 않은 랜덤 스피넬(random spinel) 타입의 입방정상(*로 표시)을 가진다. 단, 실시예 3의 촉매는 상술한 실시예 2 및 실시예 4와 유사한 결정상을 가지되, 회절들의 위치(2 theta)가 실시예 2 및 실시예 4들의 회절들의 위치(2 theta) 사이에 존재하므로, 바람직한 결정상을 가지도록 합성되었음을 알 수 있다. The catalysts prepared in Examples 1 to 10 were analyzed using an X-ray diffractometer (XRD), and the resultant X-ray diffraction pattern (XRD pattern) is shown in FIG. 3 shown in Referring to FIG. 3 , the catalyst of Example 1 has a normal spinel type tetragonal Mn 3 O 4 phase, and the catalyst of Example 2 has a partially normal spinel type cubic phase. Has a normal (cubic Mn 2 Fe 1 O 4 phase), the catalyst of Example 4 has a partial inverse spinel type cubic phase (cubic Mn 1 Fe 2 O 4 phase), the catalyst of Example 5 It can be seen that has an inverse spinel type cubic phase (cubic Fe 3 O 4 phase). On the other hand, the catalyst of Example 3 has a previously unreported random spinel type cubic phase (indicated by *). However, the catalyst of Example 3 has a crystalline phase similar to that of Examples 2 and 4 described above, except that the diffraction positions (2 theta) exist between the positions of the diffractions of Examples 2 and 4 (2 theta). Therefore, it can be seen that it was synthesized to have a desirable crystalline phase.

SO4 2-로 기능화된 실시예 7 내지 실시예 9의 촉매들의 결정상들은 상기 실시예 2 내지 실시예 4의 결정상들과 동일함을 알 수 있다. 이는 실시예 6 내지 실시예 8의 촉매들의 SO4 2-에 의한 표면의 기능화가 MnSO4 및 Fe2(SO4) 등의 새로운 벌크상(bulk phase)을 제시하지 않으므로, 촉매의 벌크상(bulk phase)에 영향을 주지 않음을 의미한다. 반면, 실시예 6의 경우, 실시예 1에서 관찰되지 않은 사방정상(orthorhombic MnSO4 phase) 또한 가짐을 알 수 있는데, 이는 SO4 2-에 의한 촉매 표면의 기능화가 Mn3O4 결정상들의 일부분을 MnSO4로 변형시킴을 의미한다. 또한, 실시예 10의 경우, 실시예 6의 SO4 2-에 의한 촉매 표면의 기능화에 사용되는 온도(500℃)가 높으므로 준안정한 입방정(cubic) Fe3O4 결정상이 안정한 삼방정(rhombohedral) Fe2O3 결정상으로 변화함을 알 수 있다. 단, 실시예 10의 경우, Fe2(SO4) 등의 새로운 벌크상(bulk phase)을 제시하지 않으므로, SO4 2-에 의한 촉매 표면의 기능화가 촉매의 벌크상(bulk phase)에 영향을 주지 않음을 알 수 있다.It can be seen that the crystalline phases of the catalysts of Examples 7 to 9 functionalized with SO 4 2- are the same as the crystalline phases of Examples 2 to 4 above. This is because the functionalization of the surface by SO 4 2- of the catalysts of Examples 6 to 8 does not suggest a new bulk phase such as MnSO 4 and Fe 2 (SO 4 ), so the bulk phase of the catalyst phase) is not affected. On the other hand, in the case of Example 6, it can be seen that it also has an orthorhombic MnSO 4 phase, which is not observed in Example 1, which means that the functionalization of the catalyst surface by SO 4 2- causes some of the Mn 3 O 4 crystal phases. It means transformation into MnSO 4 . In addition, in the case of Example 10, since the temperature (500° C.) used for functionalization of the catalyst surface by SO 4 2- of Example 6 is high, the metastable cubic Fe 3 O 4 crystal phase is stable rhombohedral (rhombohedral) ) It can be seen that the Fe 2 O 3 crystal phase changes. However, in the case of Example 10, since a new bulk phase such as Fe 2 (SO 4 ) is not presented, the functionalization of the catalyst surface by SO 4 2- affects the bulk phase of the catalyst. It can be seen that they do not give

SO4 2-로 기능화된 실시예 6 내지 실시예 10의 촉매들(Mnz(S))의 물성을 관찰하기 위하여, 다양한 기법으로 분석하였다. Mnz(S) 촉매들은 다공성의 모폴로지를 보이는데, 이는 촉매들의 BET 표면적 값들(5-25 m2 gCAT -1)에 의하여 증명된다. 또한, Mnz(S) 촉매들은 화학양론(stoichiometry)에 정의된 금속(Mn+Fe)/산소(O)(molar basis)를 가짐을 표 2에 제시된 X선 형광분석기(XRF)를 이용한 정량분석 결과를 통하여 알 수 있다. 실시예 6의 Mn3 (S)의 경우, 실시예 7 내지 실시예 10의 촉매들에 비하여 황(S)/금속(Mn+Fe)(molar basis)의 값이 매우 큼을 알 수 있다(표 2). 이는 상술된 실시예 1 촉매인 Mn3의 SO4 2- 기능화에 의하여 추가적인 벌크상(bulk phase)인 MnSO4가 생성되는 결과와 일치한다.In order to observe the physical properties of the catalysts of Examples 6 to 10 (Mn z (S)) functionalized with SO 4 2-, various techniques were analyzed. Mn z (S) catalysts show a porous morphology, as evidenced by the BET surface area values of the catalysts (5-25 m 2 g CAT −1 ). In addition, quantitative analysis using X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) shown in Table 2 that Mn z (S) catalysts have a metal (Mn+Fe)/oxygen (O) (molar basis) defined in stoichiometry. It can be seen from the results. In the case of Mn 3 (S) of Example 6, it can be seen that the value of sulfur (S)/metal (Mn+Fe) (molar basis) is very large compared to the catalysts of Examples 7 to 10 (Table 2) ). This is consistent with the result of generating an additional bulk phase, MnSO 4 , by the SO 4 2- functionalization of Mn 3 as the catalyst of Example 1 described above.

실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 실시예 9Example 9 실시예 10Example 10 Mn3(S)Mn 3 (S) Mn2(S)Mn 2 (S) Mn1.5(S)Mn 1.5 (S) Mn1(S)Mn 1 (S) Mn0(S)Mn 0 (S) 금속(Mn+Fe)/산소(O)Metal (Mn+Fe)/Oxygen (O) 0.79
(±0.09)
0.79
(±0.09)
0.77
(±0.05)
0.77
(±0.05)
0.78
(±0.03)
0.78
(±0.03)
0.79
(±0.02)
0.79
(±0.02)
0.78
(±0.02)
0.78
(±0.02)
황(S)/금속(Mn+Fe)Sulfur (S)/Metal (Mn+Fe) 0.22
(±0.03)
0.22
(±0.03)
0.04
(<±0.01)
0.04
(<±0.01)
0.02
(<±0.01)
0.02
(<±0.01)
0.01
(<±0.01)
0.01
(<±0.01)
0.01
(<±0.01)
0.01
(<±0.01)

루이스 산 특성을 띠는 일산화탄소(CO)가 접근 가능한 Mδ+ 표면종(NCO)들의 정량 분석을 위하여, 실시예 6 내지 실시예 10의 촉매들을 CO-pulsed chemisorption을 이용하여 분석하였다. 실시예 6 및 실시예 10의 Mn3 (S) 및 Mn0 (S)의 경우, 다른 촉매들 대비 보다 많은 양의 NCO값을 제공하였다(≥ ~0.27 μmolCO gCAT -1 for Mn3(S) and Mn0(S); ≤ ~0.15 μmolCO gCAT -1 for Mn2(S), Mn1.5 (S), and Mn1 (S)). 이는 실시예 6 및 실시예 10의 Mn3 (S) 및 Mn0 (S)가 과산화수소 촉매분해 반응의 효율을 향상시켜 다른 촉매들 대비 ·OH의 생산성을 향상시킬 수 있음을 의미할 수 있다. For quantitative analysis of M δ+ surface species (N CO ) to which carbon monoxide (CO) having Lewis acid properties is accessible, the catalysts of Examples 6 to 10 were analyzed using CO-pulsed chemisorption. In the case of Mn 3 (S) and Mn 0 (S) of Examples 6 and 10, higher NCO values were provided compared to other catalysts (≥ 0.27 μmol CO g CAT -1 for Mn 3 ( S) and Mn 0 (S) ; ≤ ~ 0.15 μmol CO g CAT -1 for Mn 2 (S), Mn 1.5 (S), and Mn 1 (S)). This may mean that in Example 6 and Example 10, the Mn 3 (S) and Mn 0 (S) can improve the efficiency of the hydrogen peroxide decomposition catalyst improves the productivity of the · OH other catalyst preparation.

도 4는 본 발명의 실시예 6, 실시예 8 및 실시예 10에 따른 SO4 2-로 기능화된 Mn3(S), Mn1.5(S) 및 Mn0(S) 촉매들의 100℃ 내지 200℃에서 NH3로 포화된 촉매표면들의 background-subtracted, in situ diffuse reflectance infrared fourier transform (DRIFT) spectroscopy 결과들을 나타내는 그래프이다. 상기 CO-pulsed chemisorption 결과와는 대조적으로, 루이스 산 특성( L )을 띄는 NH3이 접근 가능한 Mδ+ 표면종들을 나타내는 피크들 아래의 넓이가 100℃ 내지 200℃에서 Mn3(S) → Mn0(S) → Mn1.5(S) 순으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 실시예 8인 Mn1.5(S)의 경우, 100℃에서 200℃로 온도가 증가함에도 불구하고, L peak 아래의 넓이가 가장 크게 유지됨을 알 수 있다. 이는 실시예 8인 Mn1.5 (S)가 Mn3 (S) 및 Mn0 (S) 대비 큰 루이스 산 강도를 가지므로, 반응물인 H2O2와 Mδ+ 표면종 사이의 흡착을 용이하게 하여 과산화수소 촉매분해 반응을 가장 효율적으로 진행시킬 수 있음을 의미하며, 따라서 Mn1.5(S)가 Mn3(S) 및 Mn0(S) 대비 향상된 ·OH 생산성 보일 수 있음을 의미한다.FIG. 4 shows 100° C. to 200° C. of Mn 3 (S), Mn 1.5 (S) and Mn 0 (S) catalysts functionalized with SO 4 2- according to Examples 6, 8 and 10 of the present invention; A graph showing the results of background-subtracted, in situ diffuse reflectance infrared fourier transform (DRIFT) spectroscopy of NH 3 saturated catalyst surfaces. In contrast to the CO-pulsed chemisorption result, the area under the peaks representing M δ+ surface species accessible to NH 3 with Lewis acid properties (L ) was Mn 3 (S) → Mn at 100° C. to 200° C. 0 (S) → Mn 1.5 (S) was found to increase in the order. In addition, in the case of Mn 1.5 (S) of Example 8, it can be seen that, despite the increase in temperature from 100° C. to 200° C., the area under the L peak is maintained the largest. This is because Mn 1.5 (S) of Example 8 has a greater Lewis acid strength compared to Mn 3 (S) and Mn 0 (S), so it facilitates adsorption between the reactants H 2 O 2 and M δ+ surface species. It means that the hydrogen peroxide-catalyzed decomposition reaction can be carried out most efficiently, and thus Mn 1.5 (S) can show improved · OH productivity compared to Mn 3 (S) and Mn 0 (S).

도 5는 본 발명의 실시예 6 내지 실시예 10에 따른 SO4 2-로 기능화된 Mn3 (S), Mn2 (S), Mn1.5 (S), Mn1 (S) 및 Mn0 (S) 촉매들의 O 1s 영역에서의 X-ray photoelectron (XP) spectroscopy 결과들을 나타내는 그래프이다. 모든 촉매들은 Oβ(lattice O), Oα(chemically-susceptible O) 및 Oα'(O of chemisorbed H2O) 표면종들을 가진다. 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 경우, 가장 많은 양의 Oα 표면종을 가지는데 이는 촉매표면에 존재하는 전자(e-)의 양이 가장 풍부함을 의미한다. 이는 과산화수소 촉매분해 반응 결과 형성된 M(δ+1)+ 표면종의 Mδ+ 표면종으로의 환원(reduction)이 실시예 8의 Mn1.5(S)에서 가장 활발함을 의미하고, 단위시간당 ·OH의 생산성이 실시예 8의 Mn1.5(S)에서 극대화될 수 있음을 의미한다. 5 shows Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1.5 (S), Mn 1 (S) and Mn 0 (S) functionalized with SO 4 2- according to Examples 6 to 10 of the present invention; ) A graph showing the results of X-ray photoelectron (XP) spectroscopy in the O 1s region of catalysts. All catalysts have O β (lattice O), O α (chemically-susceptible O) and O α ' (O of chemisorbed H 2 O) surface species. In the case of Mn 1.5 (S) of Example 8, it has the largest amount of O α surface species, which means that the amount of electrons (e − ) present on the catalyst surface is the most abundant. This means that the reduction of M (δ+1)+ surface species formed as a result of the hydrogen peroxide catalytic decomposition reaction to M δ+ surface species is most active in Mn 1.5 (S) of Example 8, and OH per unit time This means that the productivity of Example 8 can be maximized in Mn 1.5 (S).

도 6은 본 발명의 실시예 6 내지 실시예 10에 따른 SO4 2-로 기능화된 Mn3 (S), Mn2 (S), Mn1.5 (S), Mn1 (S) 및 Mn0 (S) 촉매들의 S 2p 영역에서의 XPS 결과를 나타내는 그래프이다. 모든 촉매들은 SO3 2- 및 SO4 2- 표면종들을 가지는데, 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 경우, 가장 많은 양의 SO4 2- 표면종을 가짐을 알 수 있었다. 이는 다른 촉매들 대비 실시예 8의 Mn1.5 (S)에 존재하는 가장 많은 양의 SO4 2- 표면종이 근처의 풍부한 ·OH로부터의 라디칼 이동(radical transfer)에 의하여 가장 많은 양의 SO4 ·- 표면종으로 전이될 가능성이 단위시간당 매우 큼을 의미한다. 중요하게도, 상술된 모든 분석결과들은 실시예 8의 Mn1.5 (S)이 가장 큰 난분해성 유기물 분해효율을 보여줄 수 있음을 의미한다. 6 shows Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1.5 (S), Mn 1 (S) and Mn 0 (S) functionalized with SO 4 2- according to Examples 6 to 10 of the present invention. ) is a graph showing the XPS results in the S 2p region of the catalysts. All catalysts had SO 3 2- and SO 4 2- surface species, and in the case of Mn 1.5 (S) of Example 8, it was found that it had the highest amount of SO 4 2- surface species. This is the largest amount present in the Mn 1.5 of Example 8 compared to the other catalysts (S) SO 4 2- radical surface moving from the rich, OH, near the paper (transfer radical) in the amounts of SO 4, by - This means that the probability of metastasis to surface species is very high per unit time. Importantly, all the analysis results described above mean that Mn 1.5 (S) of Example 8 can show the greatest decomposition efficiency of hardly decomposable organic matter.

이하에서는 도 7 내지 도 12를 참조하여 상기 실시예 3 및 실시예 6 내지 실시예 10의 촉매들을 이용한 전기적 펜톤 시스템의 성능에 대하여 설명한다.Hereinafter, the performance of the electric Fenton system using the catalysts of Examples 3 and 6 to 10 will be described with reference to FIGS. 7 to 12 .

실험예 1: 과산화수소(HExperimental Example 1: Hydrogen peroxide (H 22 OO 22 ) 분해실험) decomposition experiment

실시예 6 내지 실시예 10을 촉매로, 전극은 그래파이트(graphite) 전극, 난분해성 유기물로는 과산화수소(hydrogen peroxide, H2O2), 그리고 Na2SO4 전해질 수용액을 사용하여 전기 부재 하에 반응 실험을 수행한다. 촉매를 전극에 코팅시킬 때, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride), PVDF)를 사용한다. 촉매는 0.2g을, Na2SO4 0.2mol이 용해된 100mL 수용액을 반응용액으로 사용한다. 반응 실험은 25℃ 및 pH 7에서 수행한다. 반응 시에 사용되는 H2O2의 양은 하기 실험예 2의 전기적 펜톤 반응 실험 조건에서 페놀의 부재 하에서 8시간 반응 진행 후 관찰되는 H2O2의 양을 사용한다(NH2O2,0: 0.13 mmolH2O2 for Mn3(S); 0.18 mmolH2O2 for Mn2(S); 0.26 mmolH2O2 for Mn1.5(S); 0.22 mmolH2O2 for Mn1(S); 0.23 mmolH2O2 for Mn0(S)). 상기의 실험 시 얻어지는 측정값을 보정한 H2O2의 전환율을 통하여 얻어진 유사1차반응 피팅 그래프(pseudo-1st-order kinetic fitting, -ln(CH2O2/CH2O2,0) VS. time)의 기울기는 H2O2가 분해되는 반응의 속도상수(k APP , min-1)와 같다. Examples 6 to 10 as a catalyst, the electrode is a graphite electrode, a hard-to-decompose organic material is hydrogen peroxide (hydrogen peroxide, H 2 O 2 ), and Na 2 SO 4 Reaction experiment in the absence of electricity using an aqueous electrolyte solution carry out When the catalyst is coated on the electrode, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is used as a binder. 0.2 g of the catalyst, and a 100 mL aqueous solution in which 0.2 mol of Na 2 SO 4 is dissolved is used as a reaction solution. Reaction experiments are performed at 25° C. and pH 7. The amount of H 2 O 2 used in the reaction is the amount of H 2 O 2 observed after the reaction proceeds for 8 hours in the absence of phenol under the electrical Fenton reaction experimental conditions of Experimental Example 2 below (N H2O2,0 : 0.13 mmol) H2O2 for Mn 3 (S); 0.18 mmol H2O2 for Mn 2 (S); 0.26 mmol H2O2 for Mn 1.5 (S); 0.22 mmol H2O2 for Mn 1 (S); 0.23 mmol H2O2 for Mn 0 (S)). The experiment-safe obtained through the conversion of a H 2 O 2 corrects the measured value obtained by the first reaction fitting graph (pseudo-1 st -order kinetic fitting , -ln (C H2O2 / C H2O2,0) VS. time) The slope of H 2 O 2 is equal to the rate constant of the decomposition reaction ( k APP , min -1 ).

각 촉매의 k APP 에 NH2O2,0을 곱하고, 이를 사용되는 촉매의 양(0.2g)에 포함된 NCO 값(상술된, CO에 접근가능한 촉매 gram당 루이스산 몰수)으로 나누어 초기 H2O2 분해반응 속도(-rH2O2,0, min-1)를 계산하였고, 이를 도 7에 나타내었다. 상기 실시예 6 내지 실시예 10 촉매들의 물성 분석에서 예측된 바와 같이, 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 촉매가 다른 촉매들(Mn3(S), Mn2(S), Mn1(S) 및 Mn0(S)) 대비 향상된 -rH2O2,0 값을 보임을 알 수 있었다. 이 결과는 Mn1.5 (S) 촉매가 다른 촉매들 대비 향상된 난분해성 유기물 분해능을 보일 수 있음을 의미한다. 또한, 이 결과는 난분해성 유기물 분해능의 지속적인 개량을 위하여 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4에 내재된 MA/MB의 종류 및 화학양론(Z)의 바람직한 선택이 중요함을 의미한다.Multiplies the N H2O2,0 the APP k of the catalyst, the CO value N (the above, access to the CO available Lewis acid catalyst number of moles per gram) as an initial H 2 O included in divided amount of the catalyst (0.2g) used this 2 The decomposition reaction rate (-r H2O2,0 , min -1 ) was calculated and is shown in FIG. 7 . As predicted in the analysis of the physical properties of the catalysts of Examples 6 to 10, the catalyst of Mn 1.5 (S) of Example 8 is different from other catalysts (Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1 (S) ) and Mn 0 (S)) compared to -r H 2 O 2,0 values were found to be improved. This result means that the Mn 1.5 (S) catalyst can show improved decomposing ability of difficult-to-decompose organic matter compared to other catalysts. In addition, the results of I SO 4 2- functionalized (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 with M A / M type and the stoichiometry of the B interior to a continuous improvement in resolution decomposable organic matter (Z ) means that the desired choice is important.

실험예 2: 페놀(phenol) 분해실험Experimental Example 2: Phenol decomposition experiment

실시예 6 내지 실시예 10를 촉매로, 전극은 그래파이트(graphite) 전극, 유기 물질은 페놀(phenol, C6H5OH), 그리고 Na2SO4 전해질 수용액을 사용하여 전기적 펜톤 반응 실험을 수행한다. 촉매를 전극에 코팅시킬 때, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly(vinylidene fluoride), PVDF)를 사용한다. 촉매는 0.2g을, 페놀 0.1mmol(NPHENOL,0) 및 Na2SO4 0.2mol이 용해된 100mL 수용액을 반응용액으로 사용한다. 전기적 펜톤 반응 실험은 25℃ 및 pH 7에서 0.04W 전력으로 수행한다. 상기의 실험시 얻어지는 측정값을 보정한 페놀의 전환율을 통하여 얻어진 유사1차반응 피팅 그래프(pseudo-1st-order kinetic fitting, -ln(CPHENOL/CPHENOL,0) VS. time)의 기울기는 페놀이 분해되는 반응의 속도상수(k APP , min-1)와 같다. 각 촉매의 k APP 에 NPHENOL,0(0.1mmol)을 곱하고, 이를 사용되는 촉매의 양(0.2g)에 포함된 NCO 값(상술된, CO에 접근가능한 촉매 gram당 루이스산 몰수)으로 나누어 초기페놀분해반응 속도(-rPHENOL,0, min-1)를 계산하였고, 이를 도 8에 나타내었다. 또한, 전기적 펜톤 반응 실험 시 페놀의 전환율 대비 탄소(carbon)의 전환율을 ηPHENOL로 정량화하였고, 이를 도 8에 나태내었다. 상기 실시예 6 내지 실시예 10 촉매들의 물성 분석에서 예측된 바와 같이, 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 촉매가 다른 촉매들(Mn3 (S), Mn2 (S), Mn1 (S) 및 Mn0 (S)) 대비 향상된 -rPHENOL,0 및 ηPHENOL 값들을 보임을 알 수 있었다. 또한, 페놀 분해 반응 도중 촉매로부터 박리되는 Mn 및 Fe의 양을 정량화하였고, 이를 표 3에 나타내었다. 표 3에서 보이듯, 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 촉매가 다른 촉매들(Mn3(S), Mn2(S), Mn1(S) 및 Mn0(S)) 대비 보다 적은 양의 Mn 또는 Fe를 박리시킴을 알 수 있다. 중요하게도, 상기 결과들은 난분해성 유기물 분해능의 지속적인 개량을 위하여 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4에 내재된 MA/MB의 종류 및 화학양론(Z)의 바람직한 선택이 중요함을 의미한다.Examples 6 to 10 as a catalyst, the electrode is a graphite electrode, the organic material is phenol (phenol, C 6 H 5 OH), and Na 2 SO 4 An electrical Fenton reaction experiment is performed using an aqueous electrolyte solution. . When the catalyst is coated on the electrode, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is used as a binder. 0.2 g of the catalyst, 0.1 mmol of phenol (N PHENOL, 0 ) and a 100 mL aqueous solution in which 0.2 mol of Na 2 SO 4 is dissolved is used as a reaction solution. Electrical Fenton reaction experiments were performed at 25° C. and pH 7 with 0.04 W power. The slope of the pseudo-first-order reaction fitting graph (pseudo-1 st -order kinetic fitting, -ln(C PHENOL /C PHENOL,0 ) VS. time) obtained through the conversion rate of phenol corrected for the measured value obtained during the above experiment is It is equal to the rate constant of the reaction in which phenol is decomposed ( k APP , min -1 ). PHENOL multiplied by N, 0 (0.1mmol) in APP k of the catalyst, divided by the value of N CO (number of moles of Lewis acid per above, a possible approach to the CO catalyst gram) containing the amount of catalyst (0.2g) used this The initial phenol decomposition reaction rate (-r PHENOL, 0 , min -1 ) was calculated and is shown in FIG. 8 . In addition, in the electrical Fenton reaction experiment, the conversion rate of carbon compared to the conversion rate of phenol was quantified as η PHENOL, which is shown in FIG. 8 . As predicted in the analysis of the physical properties of the catalysts of Examples 6 to 10, the catalyst of Mn 1.5 (S) of Example 8 is different from other catalysts (Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1 (S) ) and Mn 0 (S)) showed improved -r PHENOL,0 and η PHENOL values. In addition, the amounts of Mn and Fe stripped from the catalyst during the phenol decomposition reaction were quantified, and are shown in Table 3. As shown in Table 3, the catalyst of Example 8 Mn 1.5 (S) was less than the other catalysts (Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1 (S) and Mn 0 (S)) compared to the amount It can be seen that Mn or Fe is exfoliated. Importantly, the results of the I inherent to SO 4 2- The (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 as functionalized to the continuous improvement of the decomposable organic resolution M A / M B type and stoichiometric ( It means that the preferred choice of Z) is important.

실시예 6Example 6 실시예 7Example 7 실시예 8Example 8 실시예 9Example 9 실시예 10Example 10 Mn3(S)Mn 3 (S) Mn2(S)Mn 2 (S) Mn1.5(S)Mn 1.5 (S) Mn1(S)Mn 1 (S) Mn0(S)Mn 0 (S) Mn (mol. %)Mn (mol. %) 0.18
(< ±0.01)
0.18
(< ±0.01)
0.60
(±0.01)
0.60
(±0.01)
0.03
(±0.01)
0.03
(±0.01)
0.01
(< ±0.01)
0.01
(< ±0.01)
--
Fe (mol. %)Fe (mol. %) -
-
0.01
(< ±0.01)
0.01
(< ±0.01)
0.03
(±0.01)
0.03
(±0.01)
0.07
(< ±0.01)
0.07
(< ±0.01)
0.06
(<±0.01)
0.06
(<±0.01)

실험예 3: scavenging agent를 포함한 페놀(phenol) 분해실험Experimental Example 3: Phenol decomposition experiment including scavenging agent

실시예 3(Mn1.5) 및 실시예 8(Mn1.5 (S))을 촉매로, 실험예 2와 동일한 조건에서 반응들을 수행하되, 반응 도중 형성되는 ·OH 및 SO4 ·-들을 제거(quenching)할 수 있는 제거제(scavenging agent)인 테트라하이드로퓨란 또는 이소프로필알콜을 과량 첨가 후 반응을 진행하였고, 그 결과를 도 9에 도시하였다. 각 반응 진행 시 첨가되는 제거제(scavenging agent)의 양은 1) 실시예 3(Mn1.5) 및 실시예 8(Mn1.5 (S)) 촉매들의 전력 존재 하에서 발생되는 H2O2의 2배량과 2) 실시예 3(Mn1.5) 및 실시예 8(Mn1.5 (S)) 촉매들에 존재하는 bulk S content를 더하여 도출하였다. 제거제(scavenging agent) 첨가 후 진행된 실험예 3의 모든 촉매들의 -rPHENOL,0 값들이 제거제(scavenging agent) 부재 시에 얻어지는 -rPHENOL,0 값들(4.1 min-1 for Mn1.5; 9.3 min-1 for Mn1.5 (S)) 대비 작아짐을 알 수 있었다. 이는 실시예 3(Mn1.5) 또는 실시예 8(Mn1.5 (S))을 촉매로 적용한 페놀의 분해가 전기적 펜톤 반응시 발생되는 ·OH 또는 SO4 ·-에 의하여 진행됨을 의미한다.Example 3 (Mn 1.5) and Example 8 (Mn 1.5 (S)) to the catalyst, but performing the reaction under the same conditions as in Experimental Example 2, · OH and SO 4 · formed during the reaction - removing (quenching) After the addition of tetrahydrofuran or isopropyl alcohol, which is a scavenging agent, the reaction proceeded in excess, and the results are shown in FIG. 9 . The amount of scavenging agent added during each reaction is 1) Example 3 (Mn 1.5 ) and Example 8 (Mn 1.5 (S)) 2 times the amount of H 2 O 2 generated in the presence of power of the catalysts and 2) Example 3 (Mn 1.5 ) and Example 8 (Mn 1.5 (S)) were derived by adding the bulk S content present in the catalysts. Scavenger (scavenging agent) -r PHENOL, 0 values of all the catalyst of Example 3 was added to advanced remover (scavenging agent) -r PHENOL, 0 values obtained in the absence (4.1 min -1 for Mn 1.5; 9.3 min -1 for Mn 1.5 (S)). This Example 3 (Mn 1.5) or Example 8 (Mn 1.5 (S)) is applied to the decomposition of the phenol catalyst · OH or SO 4 · generated during electrical Fenton reaction proceeds by means.

실험예 4: 불균일 촉매반응(heterogeneous catalysis) 기반 페놀(phenol) 분해Experimental Example 4: Heterogeneous catalysis-based phenol decomposition

실시예 8(Mn1.5 (S))에서 진행되는 페놀의 분해가 촉매 표면의 SO4 ·-에 의하여 진행됨을 검증하기 위하여, 실시예 8을 촉매로, 상기 실험예 2과 동일한 조건으로 실험예 4를 수행하였다. 이때, 1시간 동안 상기 실험예 2와 동일하게 수행한 후, 실시예 8의 캐소드를 촉매가 없는 캐소드로 교체하고 반응 수용액을 필터링하고 다시 실험을 수행한다. 중요하게도, 1시간 이후에 관찰되는 페놀의 전환율은 촉매의 부재 하에서도 애노드에서 일어나는 산화(anodic oxidation) 때문이거나 촉매에서 박리된 SO4 ·- 활성종 때문이다. 본 방법으로 시간에 따른 페놀의 전환율을 모니터링하여 도 10에 도시하였다. 도 10을 참조하면, 실시예 8의 캐소드들의 1시간 경과 후 페놀의 전환율(XPHENOL)이 18.4 (±2.5) %로 관찰된다. 이 값들은 실시예 8의 촉매를 cathode에 코팅하지 않고 진행한 반응에서 관찰되는, 양극 산화에 기인하는 페놀의 전환율(XPHENOL)인 16.7 (±0.6) %과 비슷하다. 이는 페놀 분해 반응이 전극에 코팅되어 박리되지 않은 SO4 ·- 활성종에 의한 불균일촉매 반응(heterogeneous catalysis)을 바탕으로 일어남을 의미한다. Example 8 (Mn 1.5 (S)) decomposition of the phenol proceeds SO 4 · of the catalyst surface in the - in the Example 8 In order to verify the progress by the catalyst, for the experiment in the same conditions as in Experimental Example 24 was performed. At this time, after performing the same as in Experimental Example 2 for 1 hour, the cathode of Example 8 is replaced with a catalyst-free cathode, the reaction aqueous solution is filtered, and the experiment is performed again. Importantly, the conversion of phenol is observed after 01 hours in the absence of a catalyst due to oxidation or even takes place at the anode (anodic oxidation) in the separated catalyst SO 4 · - is because active species. In this method, the conversion of phenol with time was monitored and shown in FIG. 10 . Referring to FIG. 10 , the conversion rate of phenol (X PHENOL ) of the cathodes of Example 8 after 1 hour was observed to be 18.4 (±2.5) %. These values are similar to 16.7 (±0.6) %, which is the conversion rate of phenol (X PHENOL ) due to anodization, observed in the reaction performed without coating the catalyst of Example 8 on the cathode. This means that the phenol decomposition reaction occurs based on heterogeneous catalysis by the SO 4 . - active species that are not peeled off by coating the electrode.

실험예 5: 촉매 내구성 테스트Experimental Example 5: Catalyst Durability Test

개발된 촉매의 내구성 검증을 위하여, 실험예 2에서 가장 큰 페놀 분해 성능을 보이는 실시예 8의 Mn1.5 (S)를 촉매로, 상기 실험예 2과 동일한 조건에서 실험예 5를 수행하였다. 각 반응 사이클 이후의 촉매는 세척/건조/축적하여 다음 반응 사이클에 적용되었다. 실험예 5의 결과를 도 11에 도시하였다. 본 실험 시에 얻어지는 페놀의 전환율을 통하여 얻어진 유사1차반응 피팅 그래프(pseudo-1st-order kinetic fitting, -ln(CPHENOL/CPHENOL,0) VS. time)의 기울기는 페놀이 분해되는 반응의 속도상수(k APP , min-1)와 같다. 각 촉매의 k APP 에 NPHENOL,0(0.1mmol)을 곱하고, 이를 사용되는 촉매의 양(0.2g)으로 나누어 초기페놀분해반응 속도(-r'PHENOL,0, μmolPHENOL gCAT -1 min-1)를 계산하였고, 이를 도 11에 나타내었다. Mn1.5 (S)의 경우, -r'PHENOL,0의 값들이 반응 사이클이 증가할수록 ~1.4μmolPHENOL gCAT -1 min-1(1회차)에서 ~0.4μmolPHENOL gCAT -1 min-1(5회차)으로 꾸준히 감소됨을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고, 5번째 사이클에서 관찰되는 Mn1.5 (S)의 -r'PHENOL,0의 값은 실시예 6(Mn3 (S); 0.1μmolPHENOL gCAT -1 min-1) 및 실시예 10(Mn0 (S); 0.8μmolPHENOL gCAT -1 min-1)의 첫번째 사이클에서 관찰되는 -r'PHENOL,0 값들 대비 크거나 비슷함을 알 수 있다. 중요하게도, 이 결과는 실험예 1 및 실험예 2의 결과와 마찬가지로, 난분해성 유기물 분해능의 지속적인 개량을 위하여 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4에 내재된 MA/MB의 종류 및 화학양론(Z)의 바람직한 선택이 중요함을 의미한다. In order to verify the durability of the developed catalyst, Mn 1.5 (S) of Example 8 showing the greatest phenol decomposition performance in Experimental Example 2 was used as a catalyst, and Experimental Example 5 was performed under the same conditions as in Experimental Example 2. After each reaction cycle, the catalyst was washed/dried/accumulated and applied to the next reaction cycle. The results of Experimental Example 5 are shown in FIG. 11 . The slope of the pseudo-first-order reaction fitting graph (pseudo-1 st -order kinetic fitting, -ln(C PHENOL /C PHENOL,0 ) VS. time) obtained through the conversion rate of phenol obtained during this experiment is the reaction in which phenol is decomposed. It is equal to the rate constant of ( k APP , min -1 ). APP to k of the catalyst N PHENOL, 0 (0.1mmol) for multiplying, dividing the amount of the catalyst (0.2g) used this initial phenol decomposition reaction rate (-r 'PHENOL, 0, μmol min -1 PHENOL g CAT - 1 ) was calculated, which is shown in FIG. 11 . For Mn 1.5 (S) , the values of -r' PHENOL,0 increased as the reaction cycle increased, from ~1.4 μmol PHENOL g CAT -1 min -1 (1st round) to ~0.4 μmol PHENOL g CAT -1 min -1 ( 5) showed a steady decrease. Nevertheless, the values of -r' PHENOL,0 of Mn 1.5 (S) observed in the 5th cycle were found in Example 6 (Mn 3 (S); 0.1 μmol PHENOL g CAT -1 min -1 ) and Example 10 (Mn 0 (S); 0.8 μmol PHENOL g CAT -1 min -1 ) It can be seen that the -r' PHENOL,0 values observed in the first cycle are larger or similar to those of PHENOL,0. Importantly, the results are as in the results of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, the I (M A) functionalized with SO 4 2- to the continuous improvement of the decomposable organic resolution Z (M B) 3-Z O 4 inherent in This means that the preferred choice of the type and stoichiometry (Z) of the M A /MB B is important.

실험예 6: 아닐린(aniline) 분해실험Experimental Example 6: Aniline Decomposition Experiment

개발된 촉매의 적용을 위하여, 실시예 6 내지 실시예 10를 촉매로, 전극은 그래파이트(graphite) 전극, 유기 물질은 아닐린(aniline, C6H5NH2), 그리고 Na2SO4 전해질 수용액을 사용하여 전기적 펜톤 반응 실험을 수행하였다. 촉매를 전극에 코팅시킬 때, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(poly (vinylidene fluoride), PVDF)를 사용하였다. 촉매는 0.2g을, 아닐린 0.1mmol(NANILINE,0) 및 Na2SO4 0.2mol이 용해된 100mL 수용액을 반응용액으로 사용한다. 전기적 펜톤 반응 실험은 25℃ 및 pH 7에서 0.04W 전력으로 수행하였다. 상기의 실험시 얻어지는 측정값을 보정한 아닐린의 전환율을 통하여 얻어진 유사1차반응 피팅 그래프(pseudo-1st-order kinetic fitting, -ln(CANILINE/CANILINE,0) VS. time)의 기울기는 아닐린이 분해되는 반응의 속도상수(k APP , min-1)와 같다. 각 촉매의 k APP 에 NANILINE,0(0.1mmol)을 곱하고, 이를 사용되는 촉매의 양(0.2g)에 포함된 NCO 값(상술된, CO에 접근가능한 촉매 gram당 루이스산 몰수)으로 나누어 초기아닐린분해반응 속도(-rANILINE,0, min-1)를 계산하였고, 이를 도 12에 나타내었다. 또한, 전기적 펜톤 반응 실험 시 aniline의 전환율 대비 탄소(carbon)의 전환율을 ηANILINE로 정량화하였고, 이를 도 12에 나태내었다. 상기 실시예 6 내지 실시예 10 촉매들의 물성 분석에서 예측된 바와 같이, 실시예 8의 Mn1.5 (S)의 촉매가 다른 촉매들(Mn3(S), Mn2(S), Mn1(S) 및 Mn0 (S)) 대비 향상된 -rANILINE,0 및 ηANILINE 값들을 보임을 알 수 있었다. 중요하게도, 실험예 6의 결과는 실험예 1, 실험예 2 및 실험예 5의 결과와 마찬가지로, 난분해성 유기물 분해능의 지속적인 개량을 위하여 SO4 2-로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4에 내재된 MA/MB의 종류 및 화학양론(Z)의 바람직한 선택이 중요함을 의미한다.For application of the developed catalyst, Examples 6 to 10 as a catalyst, the electrode is a graphite electrode, the organic material is aniline (aniline, C 6 H 5 NH 2 ), and Na 2 SO 4 An aqueous electrolyte solution An electrical Fenton reaction experiment was performed using When the catalyst was coated on the electrode, poly (vinylidene fluoride) (PVDF) was used as a binder. 0.2 g of the catalyst, 0.1 mmol of aniline (N ANILINE, 0 ), and a 100 mL aqueous solution in which 0.2 mol of Na 2 SO 4 is dissolved is used as a reaction solution. Electrical Fenton reaction experiments were performed at 25° C. and pH 7 with 0.04 W power. The slope of the pseudo-first-order reaction fitting graph (pseudo-1 st -order kinetic fitting, -ln(C ANILINE /C ANILINE, 0 ) VS. time) obtained through the conversion rate of aniline corrected for the measured value obtained during the above experiment is It is equal to the rate constant of the reaction in which aniline is decomposed ( k APP , min -1 ). ANILINE multiplied by N, 0 (0.1mmol) in APP k of the catalyst, divided by the value of N CO (number of moles of Lewis acid per above, a possible approach to the CO catalyst gram) containing the amount of catalyst (0.2g) used this The initial aniline degradation reaction rate (-r ANILINE, 0 , min -1 ) was calculated, and is shown in FIG. 12 . In addition, during the electrical Fenton reaction experiment, the conversion rate of carbon compared to the conversion rate of aniline was quantified as η ANILINE , which is shown in FIG. 12 . As predicted in the analysis of the physical properties of the catalysts of Examples 6 to 10, the catalyst of Mn 1.5 (S) of Example 8 is different from other catalysts (Mn 3 (S), Mn 2 (S), Mn 1 (S)) ) and Mn 0 (S)) showed improved -r ANILINE,0 and η ANILINE values. Importantly, the results of Experimental Example 6 Experimental Example 1, Experimental Example 2, and as in the results of Experimental Example 5, the I (M A) Z (M B ) functionalized with SO 4 2- to the continuous improvement of the decomposable organic material Resolution the preferred choice of 3-Z O 4 with M types of a / M B and stoichiometry (Z) inherent in a means that is important.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매는 표면이 SO4 2-종으로 기능화된 (MA)Z(MB)3-ZO4 촉매들을 캐소드에 코팅시키되, ·OH로부터의 라디칼 이동(radical transfer) 결과 형성된 SO4 ·- 기능기를 촉매표면에 분산시켜 불균일 촉매반응에 기반하여 난분해성 유기물을 분해할 수 있다. 이는 난분해성 유기물 분해반응의 효율을 (MA)Z(MB)3-ZO4 촉매에 내재된 MA/MB의 종류 및 화학양론(Z)에 따라 조절하거나 증가시키며, 분해반응시 산화가 2가 이하의 금속종(Mδ+) 또는 SO4 2- 기능기의 촉매표면으로부터의 박리현상을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 촉매를 이용하여 유기 물질을 분해하는 전기적 펜톤 반응 시스템에 있어서 성능 및 수명을 향상시키는 효과가 있다.Therefore, for electrically Fenton reaction system, the catalyst in accordance with one embodiment of the present invention sikidoe coating the surface of the SO 4 2- species functionalized (M A) Z (M B ) 3-Z O 4 as the cathode catalyst, · OH By dispersing the SO 4 ·- functional group formed as a result of radical transfer from the catalyst surface, it is possible to decompose difficult-to-decompose organic matter based on heterogeneous catalysis. This I the effectiveness of the decomposable organic material decomposition (M A) Z (M B ) 3-Z O sikimyeo 4 catalyst M A / M B control depending on the type and stoichiometric (Z) or an increase in inherent in the decomposition reaction of It is possible to reduce the delamination of the metal species having a lower oxidation value (M δ+ ) or the SO 4 2- functional group from the catalyst surface. Accordingly, there is an effect of improving the performance and lifespan of the electric Fenton reaction system for decomposing organic materials using the catalyst.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and is not limited to the above-described embodiments, and various methods can be made by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Transformation and change are possible. Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention and the appended claims.

100: 전기적 펜톤 반응 시스템
110: 전해조
120: 전해질 수용액
130: 제 1 전극
140: 제 2 전극
160: 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매
100: electric Fenton reaction system
110: electrolyzer
120: aqueous electrolyte solution
130: first electrode
140: second electrode
160: catalyst for electric Fenton reaction system

Claims (11)

표면이 SO4 2-로 기능화된 [화학식 1]로 표시되는 촉매결정입자를 적어도 한 종 이상 포함하는, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매.
[화학식 1]
(MA)Z(MB)3-ZO4
(여기서, MA 및 MB는 금속이고, Z는 0 내지 3 사이의 값을 가지는 실수임)
A catalyst for an electric Fenton reaction system, comprising at least one kind of catalyst crystal particles represented by [Formula 1] whose surface is functionalized with SO 4 2-.
[Formula 1]
(M A) Z (M B ) 3-Z O 4
(where M A and M B are metals, and Z is a real number having a value between 0 and 3)
제 1 항에 있어서,
상기 촉매결정입자는 다공성 구조인, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst crystal grain is a porous structure, the catalyst for the electric Fenton reaction system.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매결정입자는 직경이 0.1 nm 내지 500 ㎛인, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst crystal particles have a diameter of 0.1 nm to 500 μm, an electric Fenton reaction system catalyst.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은, 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합인, 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매.
The method of claim 1,
The metal is lithium (Li), magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc At least one selected from the group consisting of (Zn), cadmium (Cd), titanium (Ti), germanium (Ge), tin (Sn), aluminum (Al), chromium (Cr), gallium (Ga), and indium (In) One or a combination thereof, a catalyst for an electrical Fenton reaction system.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 전기적 펜톤 반응 시스템용 촉매;
상기 촉매가 담지되는 담지체;
상기 담지체가 코팅되는 기판; 및
상기 담지체와 기판 사이에 개재되어 코팅 접착력을 증가시키는 바인더;를 포함하는,
전기적 펜톤 반응 시스템용 전극.
A catalyst for an electric Fenton reaction system according to any one of claims 1 to 4;
a support on which the catalyst is supported;
a substrate on which the carrier is coated; and
A binder interposed between the carrier and the substrate to increase coating adhesion; Containing,
Electrodes for electrical Fenton reaction systems.
제 5 항에 있어서,
상기 담지체는, 탄소(C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나인,
전기적 펜톤 반응 시스템용 전극.
6. The method of claim 5,
The carrier is any one of carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2
Electrodes for electrical Fenton reaction systems.
제 5 항에 있어서,
상기 담지체 100중량부 대비 상기 촉매 0.01 내지 50중량부를 포함하는,
전기적 펜톤 반응 시스템용 전극.
6. The method of claim 5,
Comprising 0.01 to 50 parts by weight of the catalyst relative to 100 parts by weight of the support,
Electrodes for electrical Fenton reaction systems.
제 5 항에 있어서,
상기 바인더는 불용성 고분자인, 전기적 펜톤 반응 시스템용 전극.
6. The method of claim 5,
The binder is an insoluble polymer, an electrode for an electrical Fenton reaction system.
제 5 항에 따른 전극; 및
전해질 수용액;을 포함하는,
전기적 펜톤 반응 시스템.
an electrode according to claim 5; and
Electrolyte aqueous solution; containing,
Electrical Fenton Reaction System.
제 9 항에 있어서,
상기 전해질 수용액의 pH는 5 내지 10이고,
2W 이하의 전력이 입력되어 전기적 펜톤 반응이 일어나는,
전기적 펜톤 반응 시스템.
10. The method of claim 9,
The pH of the aqueous electrolyte solution is 5 to 10,
Electric Fenton reaction occurs when power of 2W or less is input,
Electrical Fenton Reaction System.
제 9 항에 있어서,
전기적 펜톤 반응은,
(1) H2O2의 불균일 분해반응에 의해 ·OH종이 형성되는 단계;
(2) 상기 기능화된 SO4 2-종이 상기 ·OH종에 의해 SO4 ·-종으로 전환되는 단계; 및
(3) 상기 SO4 ·-종에 의해 난분해성 유기물이 분해되는 단계;를 포함하는,
전기적 펜톤 반응 시스템.
10. The method of claim 9,
The electric Fenton reaction is
(1) step by heterogeneous decomposition of H 2 O 2 · OH paper formation;
(2) SO 4 · by the · OH species the functionalized SO 4 2- paper-step to be converted into a species; and
(3) the step of decomposing the difficult-to-decompose organic matter by the SO 4 ·- species; including,
Electrical Fenton Reaction System.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900012674A (en) 1989-02-28 1990-09-01 볼프강 메르크·로렌츠 크레우츠비클러 Catalyst for Selective Reduction of Nitric Oxide by Ammonia
KR20170009566A (en) * 2015-07-17 2017-01-25 포항공과대학교 산학협력단 Photocatalyst composite and method for treating wastewater using the same
KR20200004163A (en) * 2018-07-03 2020-01-13 한국과학기술연구원 Bimetalic sulfide catalyst for electro-fenton reaction system, electrode comprising the same and electro-fenton reaction system using the same
KR102209270B1 (en) * 2018-12-14 2021-01-29 한국과학기술연구원 Sulfated transition metal oxide catalysts for electro-fenton reaction system, electrode comprising the same and electro-fenton reaction system using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900012674A (en) 1989-02-28 1990-09-01 볼프강 메르크·로렌츠 크레우츠비클러 Catalyst for Selective Reduction of Nitric Oxide by Ammonia
KR20170009566A (en) * 2015-07-17 2017-01-25 포항공과대학교 산학협력단 Photocatalyst composite and method for treating wastewater using the same
KR20200004163A (en) * 2018-07-03 2020-01-13 한국과학기술연구원 Bimetalic sulfide catalyst for electro-fenton reaction system, electrode comprising the same and electro-fenton reaction system using the same
KR102209270B1 (en) * 2018-12-14 2021-01-29 한국과학기술연구원 Sulfated transition metal oxide catalysts for electro-fenton reaction system, electrode comprising the same and electro-fenton reaction system using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.Kim. et al., Appl. Catal. B: Environ., 252. 62-76 (2019.04.08)* *

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