KR20220126157A - 복합 광촉매 구조체, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치 - Google Patents

복합 광촉매 구조체, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치 Download PDF

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지상민
권혁재
구민석
국수근
양동식
이현철
서정길
소남준
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Abstract

복합 광촉매 구조체 및 이를 포함하는 공기정화용 광촉매 필터와 공기정화장치가 개시된다. 상기 복합 광촉매 구조체는, 제1 금속 산화물 입자; 및 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 배치된 제2 금속 산화물 입자;를 포함하고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적이 상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적보다 크고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지가 상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지보다 큰 것을 특징으로 한다. 상기 복합 광촉매 구조체는 상온 상압 조건 하에서도 가스상 오염물질의 분해 제거가 가능하고 개선된 광촉매 반응성을 나타낼 수 있다. 상기 복합 광촉매 구조체는 필터 형태로 각종 실내외 공기정화시스템에 적용될 수 있다.

Description

복합 광촉매 구조체, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치 {Composite photocatalyst strucrue, and photocatalyst filter and air purification device including the same}
복합 광촉매 구조체, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치에 관한 것이다.
최근 실내외 공기질에 대한 관심이 증대되고 있으며, 특히, VOC (휘발성유기화합물) 등의 가스상 오염물질들은 새집증후군 및 미세먼지의 원인물질로 알려지면서 주요 오염물질로 관리가 필요한 상황이다.
종래에는 공기 중의 가스상 오염물질을 제거하기 위하여 비표면적이 넓고 수많은 기공들이 형성된 흡착소재가 충진된 흡착층을 형성하여 가스상 오염물질을 흡착-제거하는 방법이 가장 일반적이다. 또한, 고온 조건하에서 가스상 오염물질을 분해할 수 있는 촉매물질을 이용하여 물이나 이산화탄소와 같은 무해한 물질로 고온에서 산화-분해시키는 기술도 널리 사용되고 있었다.
종래의 흡착제거기술은 흡착제의 흡착용량이 한계가 있어서, 최대 흡착용량이 도달하면 신규 흡착제로 교체하거나 재생과정이 필요하다. 흡착제의 재생과정은 흡착제를 고온으로 가열하여 흡착되었던 오염물질을 탈착시키는 것으로, 이 때, 탈착된 오염물질에 의한 2차 오염의 문제가 발생한다. 또한, 단순 교체된 폐흡착제의 처리과정에서도 많은 에너지 소모 및 2차 오염의 위험성이 있다.
종래의 촉매분해기술은 높은 산화분해효율을 얻기 위해서는 촉매가 작동할 수 있는 100 ~ 200 ℃ 이상의 고온을 지속적으로 유지해야 하기 때문에 에너지소모량이 크고 작동조건이나 환경이 제한적이라는 단점이 있다.
이에, 흡착된 오염물질의 재탈착에 의한 2차 오염문제나 고온 유지를 위한 과도한 에너지 소모가 없이 저농도부터 고농도까지의 가스상 오염물질을 상온, 상압 조건 하에서 지속적으로 제거할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명의 일 측면은 상온 상압 조건 하에서도 가스상 오염물질의 분해 제거가 가능하고 광촉매 반응성이 개선된 복합 광촉매 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 복합 광촉매 구조체를 포함하는 광촉매 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 광촉매 필터를 포함하는 공기정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
제1 금속 산화물 입자; 및
상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 배치된 제2 금속 산화물 입자;를 포함하고,
상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지가 상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지보다 크고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적이 상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적보다 큰 복합 광촉매 구조체가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 복합 광촉매 구조체를 포함하는 광촉매 필터가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광촉매 필터를 포함하는 공기정화장치가 제공된다.
일 구현예에 따른 상기 복합 광촉매 구조체는 상온 상압 조건 하에서도 가스상 오염물질의 분해 제거가 가능하고 개선된 광촉매 반응성을 나타낼 수 있다. 상기 복합 광촉매 구조체는 필터 형태로 각종 실내외 공기정화시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체의 구조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체의 모식도이다.
도 3a 및 3b는 각각 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체의 작동원리 및 작용을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 복합 광촉매 구조체의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 도시한다.
도 5는 실시예 1 내지 3에서 제조된 복합 광촉매 구조체 및 비교예 1 및 2에서 제조된 단일 광촉매의 포름알데히드 분해효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 복합 광촉매 구조체 및 비교예 1 및 2에서 제조된 단일 광촉매의 시간에 따른 CO2 농도를 나타낸 그래프이다.
이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서 사용되는 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 양태만을 설명하기 위한 것이며 제한하려는 것은 아니다. "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서에서 사용된 "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련된 목록 항목 중. 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함한다" 및/또는 "포함하다" 또는 "포함하다" 및/또는 "포함하다"라는 용어는 명시된 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소의 존재를 특정함이 더 잘 이해될 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 개시 내용이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및 본 개시 내용의 의미에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상화된 것으로 해석되지 않아야 함이 또한 이해될 것이다. 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안될 것이다.
예시적인 실시예들은 이상적인 실시예들의 개략도인 단면도를 참조하여 여기에 설명된다. 이와 같이, 예를 들어 제조 기술 및/또는 허용 오차와 같은 결과로서의 일러스트레이션의 형상으로부터의 변형이 예상되어야 한다. 따라서, 본원에 기술된 실시 예들은 여기에 예시된 바와 같은 영역들의 특정 형상들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 예를 들어 제조로부터 야기되는 형상들의 편차들을 포함해야 한다. 예를 들어, 평평한 것으로 묘사되거나 묘사된 영역은 전형적으로 거친 및/또는 비선형 특징을 가질 수 있다. 더욱이, 예시된 예리한 각은 둥글게 될 수 있다. 따라서, 도면들에 도시된 영역들은 본질적으로 개략적이며, 그 형상들은 영역의 정확한 형상을 예시하기 위한 것이 아니며, 본 청구항의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
이하에서 예시적인 구현예들에 복합 광촉매 구조체, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체는,
제1 금속 산화물 입자; 및
상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 배치된 제2 금속 산화물 입자;를 포함하고,
상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적이 상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적보다 크고,
상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지가 상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지보다 크다.
상기 복합 광촉매 구조체는 비표면적과 밴드갭에너지가 모두 서로 다른 광촉매인 제1 금속 산화물 입자와 제2 금속 산화물 입자로 구성되며, 제1 금속 산화물 입자의 표면에 비표면적이 더 큰 제2 금속 산화물 입자가 배치되며, 여기서 상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지가 상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지보다 큰 것을 특징으로 한다.
도 1은 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체의 구조를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 복합 광촉매 구조체는 제1 금속 산화물 입자(1)보다 비표면적 및 밴드갭에너지 모두가 더 큰 제2 금속 산화물 입자(2)가 제1 금속 산화물 입자(1)를 둘러싸고 있는 구조를 갖는다.
도 3a 및 3b는 각각 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체의 작동원리 및 작용을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 비표면적이 큰 제2 금속 산화물 입자(2)는 공기중의 오염물질을 상온에서 흡착하고 고정시킬 수 있으며, 밴드갭에너지가 크므로 광촉매 반응으로 오염물질을 산화분해시킬 수 있다.
예를 들어, 제2 금속 산화물 입자(2)의 밴드갭에너지는 3eV보다 클 수 있다. 3eV보다 큰 밴드갭에너지를 갖는 제2 금속 산화물 입자(2)는 자외선을 흡수하여 광촉매 반응을 유발할 수 있으며, 상기 복합 광촉매 구조체에서 반응점(Reaction site)으로서 작용할 수 있다.
이러한 제2 금속 산화물 입자(2)로는 예를 들어 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함할 수 있다. 또한, 제2 금속 산화물 입자(2)에 포함되는 금속 산화물은 선택적으로 할로겐, 질소, 황, 탄소 또는 이들의 조합에 의해 도핑된 또는 비도핑된 것일 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제2 금속 산화물 입자(2)는 TiO2를 포함할 수 있다.
제2 금속 산화물 입자(2)보다 밴드갭에너지가 작은 광촉매인 제1 금속 산화물 입자(1)는 비표면적이 큰 제2 금속 산화물 입자(2)에 의해 둘러싸여 있으며, 외부에 존재하는 제2 금속 산화물 입자(2)에 흡수되지 않고 투과되고 산란된 빛을 흡수하여 전하를 발생시킴으로써, 제2 금속 산화물 입자(2)의 반응성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 금속 산화물 입자(1)의 밴드갭에너지는 3eV보다 작을 수 있다. 3eV보다 작은 밴드갭에너지를 갖는 제1 금속 산화물 입자(1)는 작은 에너지의 가시광도 흡수할 수 있는 고흡광성을 갖는다. 제1 금속 산화물 입자(1)는 작은 에너지의 가시광도 흡수하여 광촉매 반응을 유발할 수 있다.
이러한 제1 금속 산화물 입자(1)로는 예를 들어 비스무트(Bi), 바나듐(V), 텅스텐(W), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함할 수 있다. 또한, 제1 금속 산화물 입자(1)에 포함되는 금속 산화물은 선택적으로 할로겐, 질소, 황, 탄소 또는 이들의 조합에 의해 도핑된 또는 비도핑된 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 산화물 입자(1)에 포함되는 금속 산화물은 선택적으로 할로겐으로 도핑된 것일 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제1 금속 산화물 입자(1)는 하기 화학식 1로 표시되는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
BiOX
상기 식 중, X는 할로겐 원소이다.
예를 들어, 상기 화학식 1에서 X는 염소(Cl), 브롬(br), 요오드(I) 또는 이들의 조합일 수 있다.
일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체는 도 2에서 보는 바와 같이 제1 금속 산화물 입자(1)가 제2 금속 산화물 입자(2)에 의해 둘러싸여 있는 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 100 m2/g 이하일 수 있으며, 예를 들어, 90 m2/g 이하, 80 m2/g 이하, 70 m2/g 이하, 60 m2/g 이하, 50 m2/g 이하, 40 m2/g 이하, 30 m2/g 이하, 20 m2/g 이하. 20 m2/g 이하, 10 m2/g 이하, 5 m2/g 이하, 3 m2/g 이하 또는 1 m2/g 이하일 수 있다. 상기 범위의 비표면적으로 가짐으로써, 제1 금속 산화물 입자가 제2 금속 산화물 입자가 둘러쌓을 수 있는 지지체로서 작용할 수 있다. 제1 금속 산화물 입자의 비표면적의 하한값은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 0.1 m2/g 이상일 수 있다.
상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적은 10 m2/g 이상일 수 있으며, 예를 들어 20 m2/g 이상, 50 m2/g 이상, 100 m2/g 이상, 160 m2/g 이상, 170 m2/g 이상, 180 m2/g 이상, 190 m2/g 이상, 200 m2/g 이상, 210 m2/g 이상, 220 m2/g 이상, 230 m2/g 이상, 240 m2/g 이상, 또는 250 m2/g 이상일 수 있다. 상기 범위의 비표면적으로 가짐으로써, 제2 금속 산화물 입자가 공기 중의 오염물질에 대해 높은 흡착력으로 흡착시키고 고정할 수 있다. 제2 금속 산화물 입자의 비표면적의 상한값은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 1600 m2/g 이하일 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 입자의 평균입경은 0.5 내지 50 μm 범위일 수 있다. 상기 제1 금속 산화물 입자의 평균입경의 하한값은 예를 들어 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 5 μm 또는 10 μm일 수 있다. 상기 제1 금속 산화물 입자의 평균입경의 상한값은 예를 들어 40 μm, 30 μm, 20 μm, 또는 10 μm일 수 있다. 상기 하한값과 상한값의 결합으로 제1 금속 산화물 입자의 평균입경을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물 입자의 평균입경은 0.5 내지 50 μm 범위 내에서, 예컨대 0.5 내지 1 μm, 2 내지 9 μm, 10 내지 30 μm 등과 같이 정해질 수 있다. 상기 범위에서 제1 금속 산화물 입자는 제2 금속 산화물 입자에 비해 상대적으로 작은 비표면적을 가질 수 있다.
상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경은 1 내지 200 nm일 수 있다. 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경의 하한값은 예를 들어 5 nm, 10 nm, 20nm, 50 nm, 100 nm, 또는 150 nm일 수 있다. 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경의 상한값은 예를 들어 200 nm, 150 nm, 100nm, 80 nm, 50 nm, 20nm, 또는 10 nm일 수 있다. 상기 하한값과 상한값의 결합으로 제1 금속 산화물 입자의 평균입경을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경은 1 내지 200 nm 범위 내에서, 예컨대 5 내지 10 nm, 20 내지 50 nm, 또는 150 내지 200 nm 등과 같이 정해질 수 있다. 상기 범위에서 제2 금속 산화물 입자는 큰 비표면적을 가질 수 있으며, 이에 의해 공기 중의 오염물질에 대해 높은 흡착력으로 흡착시키고 고정할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물 입자의 총중량을 기준으로, 제1 금속 산화물 입자의 함량은 0.01 내지 50 중량%이고, 제2 금속 산화물 입자의 함량은 50 내지 99.99 중량%일 수 있다. 상기 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물 입자의 총중량을 기준으로, 제1 금속 산화물 입자의 함량은 50 중량% 이하의 범위에서, 예를 들어 0.01 중량% 이상, 0.05 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 5 중량% 이상, 또는 10 중량% 이상일 수 있다. 또한, 상기 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물 입자의 총중량을 기준으로, 제2 금속 산화물 입자의 함량은 50 중량% 이상의 범위에서, 99.99 중량% 이하, 예를 들어 99.95 중량% 이하, 99.9 중량% 이하, 99.5 중량% 이하, 99 중량% 이하, 95 중량% 이하, 또는 90 중량% 이하일 수 있다. 상기 범위에서 광촉매 반응성이 개선된 복합 광촉매 구조체를 얻을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 금속 산화물 입자가 마이크로 스케일의 1차 입자 또는 2차 입자이고, 상기 제2 금속 산화물 입자는 나노미터 스케일의 1차 입자 또는 2차 입자이고, 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면이 상기 제2 금속 산화물 입자로 둘러싸여 있는 형태일 수 있다.
또한, 입자 형태와 관련하여, 상기 제1 금속 산화물 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자는 각각 독립적으로 구상, 튜브상, 막대상, 섬유상, 시트상 또는 이들의 조합된 형태를 가지며, 서로 다른 형태를 가질 수 있다. 서로 다른 형태의 입자들로 구성함으로써, 복합 광촉매 구조체의 흡광효율을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 구현예에 따른 복합 광촉매 구조체는 공기중의 오염물질을 상온에서 흡착한 후 일정한 파장의 광에너지를 흡수하여 광촉매적 산화분해를 하여 무해한 물질(예컨대, H2O, CO2 등)로 분해하여 흡착 및 광분해가 동시에 일어날 수 있다.
상기 복합 광촉매 구조체는 이러한 흡착 및 광촉매 분해를 통해 자외선 하에서도 휘발성 유기화합물(VOC)을 포함한 공기중의 오염물질을 효과적으로 분해 제거할 수 있다.
상기 복합 광촉매 구조체는 필터 형태로 각종 실내외 공기정화장치(예컨대, 공기청정기, 공기정화시설, 공조설비 등)에 탑재되어 VOC 가스제거 모듈로 적용될 수 있으며, 미세먼지 제거를 위한 실내외 공기청정시스템에도 적용될 수 있다.
나아가, 상기 복합 광촉매 구조체는 다양한 가스상 오염물질별 제거소재로 활용가능하여, VOC 제거뿐만 아니라 대기 중의 오염물질인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 암모니아(NH3), 악취물질, 세균, 병원균, 박테리아 등을 제거하기 위한 공기정화장치 및 시스템에 적용가능하다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예 1: BiOI-TiO 2 복합 광촉매 구조체의 제조
먼저, BiOI를 용매열합성법으로 합성하기 위해서, Stainless steel 재질의 고온고압반응기(용량: 120 mL)에 에틸렌 글리콜 96 mL를 넣고 요오드화 칼륨(KI) 0.58 g과 비스무트 나이트레이트(Bi(NO3)3) 1.7 g을 순차적으로 잘 용해시킨 후, 밀봉하여 고온로에 넣고 160℃에서 12시간동안 가열하였다. 상온까지 냉각시킨 후, 개봉하여 내용물을 원심분리기에서 물과 에탄올을 이용하여 수차례 세척한 후 80℃에서 12시간동안 건조하여 BiOI 분말을 회수하였다. TiO2 (입경: 10nm) 분말은 ㈜이시하라산업(일본)의 상용광촉매를 구매하여 사용하였다. 회수한 BiOI 0.005 g 과 TiO2 0.995 g 를 250 mL 둥근바닥 플라스크에 넣고 에탄올 10 mL 을 넣고 잘 섞어준 후, 회전증발건조기(rotary evaporator)를 사용하여 에탄올을 완전히 제거하여 BiOI-TiO2 복합 광촉매 구조체를 제조하였다.
여기서, 제조된 BiOI-TiO2 복합 광촉매 구조체는 BiOI 0.5 wt% 및 TiO2 99.5 wt%로 이루어져 있다.
실시예 2: BiOI-TiO 2 복합 광촉매 구조체의 제조
상기 실시예 1에서 BiOI 및 TiO2의 함량을, BiOI 5 wt% 및 TiO2 95 wt%로 변경한 것을 제외하고는, 동일한 과정을 실시하여 BiOI-TiO2 복합 광촉매 구조체를 제조하였다.
실시예 3: BiOI-TiO 2 복합 광촉매 구조체의 제조
상기 실시예 1에서 평균입경의 약 200nm의 TiO2 (㈜이시하라산업 (일본))를 사용한 것을 제외하고는, 동일한 과정을 실시하여 BiOI-TiO2 복합 광촉매 구조체를 제조하였다.
비교예 1: TiO 2 단일 광촉매의 제조
실시예 1에서 사용한 평균입경의 약 10nm의 TiO2만을 단독으로 사용하여 비교예 1로 하였다.
비교예 2: TiO 2 광촉매의 제조
실시예 1에서 사용한 BiOI를 단독으로 사용한 것을 비교예 2로 하였다.
평가예 1: 투과전자현미경(TEM) 분석
상기 실시예 2에서 제조된 BiOI-TiO2 복합 광촉매 구조체를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하고, 얻어진 TEM 이미지를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 보는 바와 같이, BiOI 입자 표면에 TiO2 나노입자들이 둘러싸고 있는 것을 확인할 수 있었다.
평가예 2: VOC 분해 실험
실시예 1 내지 3에서 제조된 복합 광촉매 구조체 및 비교예 1 및 2에서 제조된 단일 광촉매를 이용한 VOC 분해 실험을 아래와 같이 실시하였다.
먼저, 제조된 광촉매를 지름 20 mm의 디스크 형태로 만들어, Quartz window가 부착된 SUS 재질의 광반응기 내에 장착한 후, 20 ppm의 포름알데히드-공기 혼합가스를 500 mL/분의 속도로 통과시키면서, LED 램프를 이용해, 자외선(365nm)을 조사하였다. 포름알데히드가 분해되어 발생된 CO2 농도를 FT-IR 분광기를 이용해 측정하여 포름알데히드 분해효율을 측정하였다.
분해효율(Degradation Efficiency)은 유입하는 포름알데히드(FA) 농도 대비 발생된 CO2 농도 기준으로 하기 식과 같이 계산하며, 여기서 FA는 촉매반응에 의해 CO2으로 100% 전환되는 것으로 가정한다.
<식 1>
분해효율(Degradation Efficiency, %) = CCO2/Cin * 100
포름알데히드 분해효율 측정 결과를 도 5 및 하기 표 1에 나타내었다.
각 촉매의 조성 및 전체 비표면적도 하기 표 1에 함께 나타내었다.
촉매 조성 비표면적
(m2/g)		 분해효율
(%)
실시예 1 BiOI(0.5wt%)-TiO2 (10nm) 263.6 49.96
실시예 2 BiOI(5wt%)-TiO2 (10nm) 219.3 38.03
실시예 3 BiOI(5wt%)-TiO2 (200nm) 14.9 16.47
비교예 1 TiO2 (10nm) 285 15.36
비교예 2 BiOI 55.7 0.63
도 5 및 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 복합 광촉매 구조체는 비교예 1의 TiO2 단일광촉매 대비 각각 약 3.25배, 약 2.47배 분해성능이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 3과 같이 TiO2의 평균입경을 약 200nm 정도로 큰 것을 사용한 복합 광촉매 구조체의 경우에도 비교예 1의 TiO2 단일광촉매보다 분해성능이 더 향상된 것을 알 수 있다.
가시광 광촉매인 비교예 2의 BiOI 단일 광촉매의 경우 자외선 하에서 포름알데히드 분해성능이 매우 낮게 나타났다.
한편, 실시예 1에서 제조된 복합 광촉매 구조체 및 비교예 1 및 2에서 제조된 단일 광촉매의 시간에 따른 CO2 농도 측정 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 복합 광촉매 구조체는 시간에 따른 포름알데히드 분해효율이 비교예 1 및 2의 단일 광촉매보다 개선된 것을 알 수 있다. 자외선 광촉매인 비교예 1의 TiO2 단일 광촉매는, 흡착성이 우수하여 초기 포름알데히드 제거효율은 높으나, 분해효율은 실시예 1보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 가시광 광촉매인 비교예 2의 BiOI 단일 광촉매의 경우, 흡착성이 낮아서 광촉매적 포름알데히드 제거효율뿐만 아니라 분해효율도 매우 낮음을 확인할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 제1 금속 산화물 입자
2: 제2 금속 산화물 입자

Claims (17)

  1. 제1 금속 산화물 입자; 및
    상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 배치된 제2 금속 산화물 입자;를 포함하고,
    상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적이 상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적보다 크고,
    상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지가 상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지보다 큰 복합 광촉매 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지는 3eV보다 작고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 밴드갭에너지는 3eV보다 큰 복합 광촉매 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 비스무트(Bi), 바나듐(V), 텅스텐(W), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함하는 복합 광촉매 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 선택적으로 할로겐, 질소, 황, 탄소 또는 이들의 조합에 의해 도핑된 또는 비도핑된 금속 산화물을 포함하는 복합 광촉매 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 하기 화학식 1로 표시되는 금속 산화물을 포함하는 복합 광촉매 구조체:
    <화학식 1>
    BiOX
    상기 식 중, X는 할로겐 원소이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물 입자는 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함하는 복합 광촉매 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물 입자는 TiO2를 포함하는 복합 광촉매 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물 입자는 선택적으로 할로겐, 질소, 황, 탄소 또는 이들의 조합에 의해 도핑된 또는 비도핑된 금속 산화물을 포함하는 복합 광촉매 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 100 m2/g 이하이고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 비표면적은 10 m2/g 이상인 복합 광촉매 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 평균입경은 0.5 내지 50 μm이고, 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경은 1 내지 200 nm인 복합 광촉매 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물 입자의 총중량을 기준으로, 제1 금속 산화물 입자의 함량은 0.01 내지 50 중량%이고, 제2 금속 산화물 입자의 함량은 50 내지 99.99 중량%인 복합 광촉매 구조체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자는 서로 다른 형태를 가지며, 각각 독립적으로 구상, 튜브상, 막대상, 섬유상, 시트상 또는 이들의 조합된 형태를 갖는 복합 광촉매 구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자가 마이크로 스케일의 1차 입자 또는 2차 입자이고, 상기 제2 금속 산화물 입자는 나노미터 스케일의 1차 입자 또는 2차 입자이고,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 표면이 상기 제2 금속 산화물 입자로 둘러싸여 있는 형태인 복합 광촉매 구조체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복합 광촉매 구조체가 공기 중의 가스상 오염물질을 상온에서 흡착하고, 상기 제1 금속 산화물 입자가 가시광을 흡수하고, 상기 제2 금속 산화물 입자가 자외선을 흡수하여 상기 오염물질을 광분해하는 복합 광촉매 구조체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복합 광촉매 구조체가 자외선 파장영역에서 작동하는 복합 광촉매 구조체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 복합 광촉매 구조체를 포함하는 광촉매 필터.
  17. 제16항에 따른 광촉매 필터를 포함하는 공기정화장치.
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