KR20220126158A - 공기정화용 광촉매, 이를 포함하는 세라믹 촉매필터 및 공기정화장치 - Google Patents

공기정화용 광촉매, 이를 포함하는 세라믹 촉매필터 및 공기정화장치 Download PDF

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국수근
양동식
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지상민
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Abstract

공기정화용 광촉매, 및 이를 포함하는 공기정화용 광촉매 필름과 공기정화장치가 개시된다. 상기 공기정화용 광촉매는, 자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자; 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 담지된 제2 금속 산화물 입자; 및 상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 결합된 플루오린;을 포함한다. 상기 공기정화용 광촉매를 이용하여 VOC (휘발성유기물질) 및 바이러스를 효과적으로 지속적인 제거/분해를 할 수 있다.

Description

공기정화용 광촉매, 이를 포함하는 세라믹 촉매필터 및 공기정화장치 {Photocatalyst for air purification, and photocatalyst film and air purification device including the same}
공기정화용 광촉매, 이를 포함하는 세라믹 촉매필터 및 공기정화장치에 관한 것이다.
종래에는 대기 중 오염물질을 제거하기 위하여 비표면적이 넓은 흡착제(예: 활성탄)를 공기청정필터에 적용하여 가스 오염물질을 흡착/제거 하는 방식을 사용하였다. 또한, 최근에는 광촉매(예: TiO2)를 이용하여 가스 오염물질의 흡착 제거 방식이 아닌 이산화탄소로의 분해하는 방식을 사용하기도 한다. 광촉매는 촉매가 일정 에너지 이상의 빛을 받으면 전자와 정공이 형성되어 산화/환원 반응을 유도하고 이를 이용하여 가스 오염물질을 제거할 수 있는 방식이다. 바이러스의 경우, 구리와 같은 금속 물질과 접촉할 경우 미량동 효과(즉, 미량의 중금속 물질의 이온 작용이 생물의 발육을 방해하거나 죽이는 현상)에 의해 바이러스가 사멸될 수 있다.
그러나, 종래의 흡착/제거 기술은 흡착된 가스 오염물질이 탈착되어 2차 오염을 유발하거나, 흡착제의 재사용을 위해 고온으로 가열하는 등의 별도의 재생 과정을 거쳐야 하며, 교체주기가 비교적 짧다는 단점이 있다.
종래의 광촉매를 이용한 가스 오염물질 제거 기술은 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 빠르게 재결합되어 촉매의 효율이 저하된다는 단점이 있다. 또한, 가스 오염물질이 분해되면서 생성되는 중간체 물질들이 촉매 표면에 흡착되어 촉매의 효율을 저하시키는 문제도 있다.
이에, 탈착에 의한 2차 오염을 유발하지 않고 고온과 같은 별도의 재생 과정을 거치지 않으며, 고효율의 산화/환원 반응을 이용한 지속적인 공기 정화 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은 가스상 오염물질의 분해 효율이 우수한 공기정화용 광촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 광촉매를 포함하는 세라믹 촉매필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 광촉매를 포함하는 공기정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자;
상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 담지된 제2 금속 산화물 입자; 및
상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 결합된 플루오린;
을 포함하는 공기정화용 광촉매가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 공기정화용 광촉매를 포함하는 세라믹 촉매필터가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광촉매를 포함하는 공기정화장치가 제공된다.
일 구현예에 따른 상기 공기정화용 광촉매를 이용하여 VOC (휘발성유기물질) 및 바이러스를 효과적으로 지속적인 제거/분해를 할 수 있다. 상기 공기정화용 광촉매는 필터 형태로 각종 실내외 공기정화시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공기정화용 광촉매의 구조 및 작동원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매에서 Cu 함량에 따른 파장별 K-M (Kubelka-Munk) function 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매에서 Cu:Glucose:NaOH 조성비에 따른 파장별 K-M function 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매에서 자외선의 조사여부에 의해 발생되는 광전류를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매의 빛 조사 전후의 저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 평가예 1에서 합성한 Cu:Glucose:NaOH 조성비에 따른 Cu2O/TiO2 촉매의 결합에너지를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매의 라만 스펙트럼을 CuO/TiO2 촉매와 담지체인 TiO2의 라만 스펙트럼과 비교하여 나타낸 것이다.
도 8은 평가예 2에서 합성한 ST-01 및 P25 각각에 담지된 Cu2O/TiO2 촉매의 비표면적 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 평가예 2에서 합성한 ST-01 및 P25 각각에 담지된 Cu2O/TiO2 촉매에 대하여 시간에 따른 VOC 제거 및 분해 효율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 평가예 3에서 합성한 표면 플루오린화 처리된 F-Cu2O/TiO2 촉매의 결합에너지를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 평가예 3에서 합성한 표면 플루오린화 처리된 F-Cu2O/TiO2 촉매의 빛 조사 시의 저항을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 평가예 3에서 합성한 표면 플루오린화 처리된 F-Cu2O/TiO2 촉매의 VOC 제거 및 분해 효율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 일 실시예에 의한 세리믹 촉매필터의 입체도이다.
도 14는 도 13의 세라믹 촉매필터의 공기 유입면의 정면도이다.
도 15는 도 13의 세라믹 촉매필터의 공기 유출면의 정면도이다.
도 16은 도 14를 4-4' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 17은 도 16의 제1 부분(A1)을 확대한 단면도이다.
도 18은 일 실시예에 의한 세라믹 촉매필터를 포함하는 필터링 시스템의 단면도이다.
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 공기정화용 광촉매, 이를 포함하는 광촉매 필터 및 공기정화장치에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매는,
자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자;
상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 담지된 제2 금속 산화물 입자; 및
상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 결합된 플루오린;을 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 공기정화용 광촉매의 구조 및 작동원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 제1 금속 산화물 입자는 제2 금속 산화물 입자가 담지될 담지체로서, 예를 들어 TiO2와 같은 자외선을 흡수할 수 있는 금속 산화물을 포함한다. 제1 금속 산화물 입자는 일정 에너지 이상의 빛을 받으면 전자와 정공이 형성되어 산화/환원 반응을 유도하고 이를 이용하여 가스 오염물질을 제거할 수 있다. 표면에 제2 금속 산화물 입자 및 플루오린이 제1 금속 산화물 입자에서 빛(자외선)에 의해 여기된 전자는 가전자대(valence band)에 재결합된다.
일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매는 이러한 제1 금속 산화물 입자의 표면에 제2 금속 산화물 입자가 담지되고 표면 플루오린화 처리에 의해 플루오린이 결함된 것으로서, 상기 광촉매에서 빛(자외선)에 의해 여기된 전자가 가전자대(valence band)에 재결합되지 않고 제2 금속 산화물 입자 및 플루오린에 저장되어 산소의 환원반응을 통해 활성산소종(ROS)의 생성 효율을 높여 VOC 및 바이러스를 효과적으로 제거/분해 할 수 있다. 제1 금속 산화물 입자의 표면에 결합된 플루오린은 ROS의 발생을 높여 VOC 분해 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, VOC가 제거되며 생성되는 중간체들의 촉매 표면 흡착을 저해시켜 VOC를 지속적으로 제거/분해 할 수 있도록 한다.
일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매에서 플루오린은 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면 중 상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 영역을 제외한 나머지 영역에 존재하며, 상기 제1 금속 산화물 입자와 상기 제2 금속 산화물 입자 사이의 계면에는 존재하지 않는다. 상기 공기정화용 광촉매는 제1 금속 산화물 입자에 제2 금속 산화물 입자를 담지한 후에 표면 플루오린화 처리를 하기 때문에, 상기 제1 금속 산화물 입자와 상기 제2 금속 산화물 입자 사이의 계면에 플루오린이 존재하지 않는다. 제1 금속 산화물 입자를 먼저 표면 플루오린화 처리를 한 후 제2 금속 산화물 입자를 담지하는 경우, 제1 금속 산화물 입자 표면에 플루오린 이온에 의해 제2 금속 산화물 입자가 담지되기 어렵다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 금속 산화물 입자는 제2 금속 산화물 입자의 담지체로서, 자외선을 흡수할 수 있는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 금속 산화물 입자는 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 산화물 입자는 TiO2를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 20 내지 300 m2/g 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 30 내지 250 m2/g 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 50 내지 230 m2/g 범위일 수 있다. 상기 범위에서 넓은 표면적 확보를 통해 원하는 수준의 VOC의 흡착 효율 및 분해 효율을 얻을 수 있다. 제1 금속 산화물 입자의 비표면적이 넓을수록 VOC의 흡착 효율이 증가하게 되고 분해 효율 또한 증가할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 입자는 1차 입자이거나, 또는 1차 입자들이 서로 응집 또는 결합된 2차 입자일 수 있다. 1차 입자의 평균입경은 0.1nm 내지 20nm일 수 있으며, 예를 들어 1nm 내지 10nm일 수 있고, 예를 들어 3nm 내지 7nm일 수 있다. 1차 입자들이 응집된 2차 입자의 평균입경은 10nm 내지 200nm일 수 있으며, 예를 들어 30nm 내지 150nm일 수 있고, 예를 들어 50nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 범위에서 제1 금속 산화물 입자는 원하는 수준의 비표면적을 얻을 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에는 제2 금속 산화물 입자가 담지된다.
제2 금속 산화물 입자는 빛의 흡수율을 향상시킬 수 있으며, 빛(자외선)에 의해 발생된 전자를 흡수하여 전하쌍의 재결합을 막으며, 촉매의 저항을 낮춰 전하의 전달을 용이하게 할 수 있다.
또한, 제2 금속 산화물 입자는 미량동 효과 (즉, 미량의 중금속 물질의 이온 작용이 생물의 발육을 방해하거나 죽이는 현상)에 의해 바이러스 제거 효과를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 금속 산화물 입자는 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물로서 상기 제1 금속 산화물과 상이한 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 금속 산화물 입자는 Cu2O를 포함할 수 있다. 산화구리(I) (Cu2O)는 산화구리(II) (CuO)에 비해 활성이 더 뛰어나며, p형 반도체 촉매로써 고효율의 환원 반응을 유도할 수 있어 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 금속 산화물의 함량은, 상기 제1 금속 산화물 입자 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부일 수 있다. 상기 범위에서, 상기 광촉매의 빛의 흡수율을 향상시키고, 촉매의 저항을 낮춰 전하의 전달을 용이하게 하여 VOC의 분해효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 금속 산화물 입자의 평균입경은 5 내지 10 nm일 수 있다. 상기 범위에서 제1 금속 산화물 입자 상에 제2 금속 산화물 입자의 담지가 용이하면서, 광촉매 반응성이 개선된 공기정화용 광촉매를 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 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 가질 수 있으며, 공기정화용 광촉매의 흡광효율을 제어하기 위하여, 서로 동일하거나 다른 형태를 가질 수 있다.
상기 공기정화용 광촉매는, 상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 플루오린이 결합된다.
표면 플루오린화 처리가 되지 않은 광촉매의 경우, 제1 금속 산화물 입자의 표면에 히드록시(-OH) 기와 같은 작용기가 결합되어 있는데, 빛(자외선)에 의해 여기된 전자가 가전자대(valence band)에 재결합될 때 이에 의해 히드록시(-OH) 기 자체가 ·OHad로 될 수 있어 활성산소종(ROS)의 생성 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
이에 반해 상기 공기정화용 광촉매는, 표면 플루오린화 처리에 의해 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면의 작용기가 플루오린으로 치환됨으로써, 활성산소종(ROS)의 생성 효율을 높여 VOC 분해 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, VOC 가 제거되며 생성되는 중간체들의 촉매 표면 흡착을 저해시켜 VOC를 지속적으로 제거/분해 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매는 탈착에 의한 2차오염을 유발하지 않고 고온과 같은 별도의 재생 과정을 거치지 않으며, 산소의 환원반응을 통해 활성산소종(ROS)의 생성 효율을 높여 VOC 및 바이러스를 효과적으로 제거/분해 할 수 있다.
상기 공기정화용 광촉매는 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 공기정화용 광촉매는 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.
일 구현예에 따르면, 상기 광촉매를 세리막 필터에 코팅하여 입자와 가스 동시 제거가 가능한 세라믹 촉매필터를 제공할 수 있다.
일 실시예에 의한 세라믹 촉매필터와 이를 포함하는 필터링 시스템을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
일 실시예에 따른 세라믹 촉매필터는, 제1 물질을 차단하는 제1 면과 상기 제1 면을 통과하는 제2 물질이 제거되는 제2 면을 갖는 단일체 구조물을 포함하고, 상기 제2 면 상에는, 에너지 조사에 의해 상기 제2 물질 제거를 위한 촉매층으로서 상술한 일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매를 포함하는 촉매층이 구비될 수 있다.
상기 단일체 구조물은 다공성일 수 있다. 상기 단일체 구조물은 전체가 동일한 세라믹 재료일 수 있다. 다르게는, 상기 단일체 구조물은 전체가 동일한 촉매재료일 수 있으며, 이 경우 상기 제2 면이 광 에너지에 의해 활성화되는 광 촉매재료일 수 있다.
상기 제1 및 제2 면은 각각 상하좌우로 서로 평행한 면들을 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 미세먼지를 포함하고, 상기 제2 물질은 휘발성 유기 화합물(VOC)을 포함할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 세라믹 촉매필터를 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, 세라믹 촉매필터(100)는 물질(130)이 유입되는 유입면과 가스(140)가 방출되는 방출면을 포함한다. 물질(130)은 걸러야 하거나 제거해야 하는 적어도 2종류의 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 물질(130)은 입자성의 제1 물질과 가스성의 제2 물질을 포함할 수 있다. 세라믹 촉매필터(100)는 물질(130) 중 일부에 대한 세라믹 촉매필터의 촉매반응의 결과 생성되는 가스(140)가 방출되는 방향(Y축 방향)으로 주어진 두께(T1)을 갖는다. 세라믹 촉매필터(100)는 물질(130)이 유입되는 방향에 입구를 갖고, 반대 방향(Y축 방향)으로 바닥을 갖는 복수의 제1 홈(110)을 포함한다. 물질(130)은 복수의 제1 홈(110)을 통해 세라믹 촉매필터(100)에 유입된다. 복수의 제1 홈(110)은 규칙적으로 배열되어 있다. 복수의 제1 홈(110)은 서로 평행하게 배열될 수 있다. 세라믹 촉매필터(100)는 물질(130)이 유입되는 방향에 복수의 제1 면(120S)을 포함한다. 복수의 제1 면(120S)은 규칙적으로 배열되어 있다. 복수의 제1 면(120S)은 복수의 제1 홈(110) 사이에 배치되어 있다. 곧, 가로 및 세로방향으로 복수의 제1 홈(110) 사이사이에 제1 면(120S)이 하나씩 위치한다. 달리 표현하면, 가로 및 세로방향으로 복수의 제1 면(120S) 사이사이에 제1 홈(110)이 하나씩 존재한다. 1개의 제1 홈(110)은 4개의 제1 면(120S)으로 둘러싸여 있고, 1개의 제1 면(120S)은 4개의 제1 홈(110)으로 둘러싸여 있다.
도 14는 도 13에 도시한 세라믹 촉매필터(100)의 공기 유입면의 정면도이다.
도 15는 세라믹 촉매필터(100)의 뒷면, 곧 가스 배출면을 보여준다.
도 15를 참조하면, 세라믹 촉매필터(100)는 가스가 배출되는 측에 복수의 제2 홈(120)과 복수의 제2 면(110S)을 포함하는 것을 알 수 있다. 복수의 제2 홈(120)은 가스가 유출되는 배출구가 된다. 제2 홈(120)을 통해 배출되는 가스는 제1 홈(110)을 통해 유입되는 물질(130)에서 유해물이나 불순물이 걸러진 상대적으로 깨끗하거나 무해한 가스이거나 이 가스와 공기를 포함하는 것일 수 있다. 복수의 제2 홈(120)은 규칙적으로 배치되어 있다. 복수의 제2 면(110S)도 규칙적으로 배치되어 있다. 복수의 제2 홈(120)과 복수의 제2 면(110S) 사이의 배치관계는 복수의 제1 홈(110)과 복수의 제1 면(120S) 사이의 배치관계를 따를 수 있다. 복수의 제2 면(110S)은 복수의 제1 홈(110)에 대응하고, 복수의 제2 홈(120)은 복수의 제1 면(120S)에 대응한다.
도 13과 도 15를 함께 참조하면, 제2 면(110S)은 제1 홈(110)의 바닥이 되고, 제1 면(120S)은 제2 홈(120)의 바닥이 됨을 알 수 있다.
도 15은 도 14를 4-4' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.
세라믹 촉매필터(100)는 단일체 구조물 혹은 단일체 프레임(frame)일 수 있다. 세라믹 촉매필터(100)는 전체가 동일한 재료(예, 세라믹재료, 촉매재료 등)로 형성된 프레임을 가질 수 있다. 세라믹 촉매필터(100)는 전체가 하나로 연결된 단일체(single body)이지만, 설명의 편의상, 수평부분과 수직부분으로 구분하여 설명한다.
도 16을 참조하면, 세라믹 촉매필터(100)는 복수의 제1 및 제2 홈(110, 120)이 Z축 방향으로 순차적으로 적층된 프레임(frame)을 갖는 구조물로 볼 수 있다.
구체적으로, 세라믹 촉매필터(100)는 복수의 수평부분(410)과 복수의 수직부분(415, 425)을 포함한다. 공간적으로 복수의 수평부분(410)은 Z축 방향으로 서로 이격되어 있다. 여기서, 상기 Z축 방향을 편의상 수직방향이라 한다. 복수의 수평부분(410)은 Y축 방향으로 서로 평행하다. 복수의 수평부분(410)의 각각의 길이는 동일할 수 있다. Y축 방향은 촉매반응의 결과로 생성된 가스(140)가 방출되는 방향일 수 있다. Y축은 Z축에 수직하다. 여기서는 편의상, Y축 방향을 수평방향으로 간주한다. 복수의 수직부분(415, 425)은 서로 평행하며, 공간적으로 서로 이격되어 있다. 복수의 수직부분(415, 425)은 복수의 수평부분(410) 사이사이에 배치되어 있다. 복수의 수평부분(410)도 복수의 수직부분(415, 425) 사이사이에 배치되어 있다. 복수의 수평부분(410)은 복수의 수직부분(415, 425)을 통해 서로 연결된다. 복수의 수직부분(415, 425)은 서로 평행하며, 공간적으로 서로 이격되어 있다. 복수의 수직부분(415, 425)은 복수의 수평부분(410)을 통해 서로 연결된다. 복수의 수직부분(415, 425)은 복수의 제1 수직부분(415)과 복수의 제2 수직부분(425)을 포함한다. 복수의 제1 수직부분(415)과 복수의 제2 수직부분(425)은 Y축 방향으로 서로 이격되어 있다. 복수의 제1 수직부분(415)은 Z축 방향으로 서로 이격되어 있고, Z축 방향으로 나란히 정렬되어 있다. 복수의 제2 수직부분(425)도 Z축 방향으로 서로 이격되어 있고, Z축 방향으로 나란히 정렬되어 있다. 복수의 제1 수직부분(415)은 물질(130)이 유입되는 쪽에 배치되어 있다. 복수의 제2 수직부분(425)은 촉매반응에 의해 생성되는 가스(140)가 배출되는 쪽에 배치되어 있다.
복수의 수평부분(410)은 제1 및 제2 홈(110, 120)이 벽이 될 수 있다. 곧, 복수의 수평부분(410)은 각각 제1 홈(110)과 제2 홈(120) 사이에 위치하여 각 홈(110, 120)의 경계가 된다. 상기 벽은 제1 및 제2 홈(110, 120)의 측벽을 의미한다. 복수의 수평부분(410)의 두께는 서로 동일할 수 있으나, 두께가 다른 부분이 있을 수도 있다. 복수의 수평부분(410)의 두께는 복수의 수직부분(415, 425)의 두께와 동일할 수 있으나, 다를 수도 있다. 제1 홈(110)의 벽이 되는 수평부분(410)은 Z축 방향으로 제1 간격(D1)만큼 이격되어 있다. 제2 홈(120)의 벽이 되는 수평부분(410)은 Z축 방향으로 제2 간격(D2)만큼 이격되어 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 간격(D1, D2)는 동일할 수 있다. 곧, 제1 및 제2 홈(110, 120)의 입구의 직경은 서로 동일할 수 있다. 복수의 수평부분(410)의 Y축 방향 길이(L1)는 서로 동일할 수 있다. 제1 및 제2 홈(110, 120)의 깊이는 수평부분(410)의 Y축 방향 길이(L1)로 정해질 수 있다. 따라서 제1 및 제2 홈(110, 120)이 깊이는 서로 동일할 수 있다. 다른 예에서, 제1 홈(110)의 깊이와 제2 홈(120)의 깊이는 서로 다를 수도 있다. 복수의 제1 수직부분(415)은 제2 홈(120)의 바닥이 될 수 있다. 복수의 제2 수직부분(425)은 제1 홈(110)의 바닥이 될 수 있다. 제1 홈(110)의 바닥과 제2 홈(120)의 바닥의 통기성은 다를 수 있다. 제2 홈(120)의 바닥은 가스성 물질을 차단하는 구성을 가질 수 있다. 제1 수직부분(415)의 직경(D11)과 제2 수직부분(425)의 직경(D22)은 서로 동일할 수 있다. 제1 및 제2 수직부분(415, 425)의 Y축 방향 두께는 서로 동일할 수 있다.
복수의 수평부분(410)과 복수의 수직부분(415, 425)은 하나로 연결된 단일체로써, 동일한 세라믹소재 또는 촉매소재로 형성된 세라믹 형태의 물질층일 수 있다.
세라믹소재의 단일체가 사용되는 경우, 상기 촉매소재의 활성화를 위해 세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 에너지에 따라 상기 촉매소재가 달라질 수 있다.
제1 예로써, 세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 에너지가 광 에너지인 경우, 상기 촉매소재는 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 금속화합물일 수 있는데, 예를 들면, TiO2 또는 WO3일 수 있다. 상기 광 에너지는 자외선 에너지 또는 가시광 에너지를 포함할 수 있다.
제2 예로써, 세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 에너지가 직류(DC)나 교류(AC)의 전기 에너지인 경우, 상기 촉매소재는 복수의 수평부분(410)과 복수의 수직부분(415, 425)에서 전기전도성의 ORR(Oxygen Reduction Reaction)반응이 가능한 금속 화합물일 수 있다. 이때, 상기 금속 화합물은 Co, Ni 또는 Mn 등과 같은 금속을 포함하는 화합물이거나 귀금속 산화물을 포함할 수 있다.
제3 예로써, 세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 에너지가 이온 에너지일 때, 상기 촉매소재는 오존 산화 가능한 금속 화합물일 수 있는데, 예를 들면, MnO2 또는 ZnO2일 수 있다. 상기 이온 에너지는, 예를 들면 플라즈마 에너지일 수 있다.
제4 예로써, 세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 에너지가 열 에너지일 때, 상기 촉매소재는 저온 산화반응이 가능한 금속 화합물일 수 있다. 일 예에서, 상기 금속 화합물은 Cu, Co, Ni, Fe, Al, Si 또는 귀금속을 포함하는 화합물일 수 있다. 상기 저온 산화반응은 실온~100°사이에서 일어나는 산화반응을 의미한다. 상기 열 에너지는, 예를 들면 적외선 에너지를 포함하거나 히터와 같은 열원으로부터 공급되는 에너지를 포함할 수 있다.
세라믹 촉매필터(100)에 공급되는 상기 에너지는 적어도 수평부분(410)을 활성화시키고, 더 나아가서 수직부분(415, 425)의 일부 또는 전체를 활성화시켜 물질(130)에 포함된 가스성분에 대해 촉매반응을 일으키는 에너지일 수 있다. 이러한 에너지의 공급으로 세라믹 촉매필터(100)의 상기 에너지에 조사되는 면에 촉매층이 형성된다. 상기 에너지에 조사되는 면은 제2 홈(120)의 측면 및 바닥면이 될 수 있다. 이 촉매층은 상기 에너지 공급에 의해 활성화된 영역(층)이다. 물질(130)에 포함된 가스성분은 상기 촉매층을 통과하면서 촉매반응을 일으켜(예, 광 에너지가 공급되는 경우, 산소와 반응하여) 분해될 수 있다. 상기 가스성분은 휘발성 유기 화합물(VOC)이나 다른 유해한 가스일 수 있다. 상기 휘발성 유기 화합물은, 예를 들면 포름알데히드, 아세트알데히드, 암모니아, 톨루엔 또는 아세트산 등일 수 있다.
도 17은 도 16의 수평부분(410)의 제1 부분(A1)을 확대하여 보여준다.
도 17을 참조하면, 수평부분(410)은 포어(pore)(410A)를 포함한다. 일 예에서, 수직부분(415, 425)은 포어를 포함하지 않을 수 있다.
다른 예에서, 수직 부분(415, 425)도 포어를 포함하되, 수직부분(415, 425)의 포어 밀도는 수평부분(410)보다 낮을 수 있다.
또 다른 예에서, 제1 수직부분(415)은 포어를 포함하고, 제2 수직부분(425)은 포어를 포함하지 않을 수 있다.
또 다른 예에서, 제1 및 제2 수직부분(415, 425)이 포어를 포함하되, 제2 수직부분(425)의 포어 밀도는 제1 수직부분(415)보다 낮을 수 있다.
도 17을 참조하면, 수평부분(410)의 에너지가 조사되는 면(410S) 상에 상술한 공기정화용 광촉매를 포함하는 촉매층(470)이 마련되어 있다. 수평부분(410)의 재료는 수평부분(410)의 에너지가 조사되는 면(410S)을 덮는 촉매층(470)의 재료와 다를 수 있다. 수평부분(410)은 촉매층(470) 재료와 다른 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 다르게는, 수평부분(410)은 촉매층(470) 재료와 다른 촉매소재로 형성될 수 있다. 예컨대, 수평부분(410)은 촉매층(470) 재료와 다른, 상기한 4개의 에너지 중 선택된 한 에너지(예, 열 에너지)로 활성화될 수 있는 촉매소재로 형성될 수 있다. 이 경우, 촉매층(470)을 활성화시킬 수 있는 에너지와 수평부분(410)을 활성화시킬 수 있는 서로 다른 2종의 에너지가 동시에 공급될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 의한, 재생 가능한 세라믹 촉매필터를 포함하는 필터링 시스템을 보여준다.
도 18을 참조하면, 필터링 시스템(1000)은 세라믹 촉매필터(100)와 에너지 공급부(900)를 포함한다. 에너지 공급부(900)는 세라믹 촉매필터(100)의 공기가 배출되는 면, 곧 에너지 공급부(900)에서 공급되는 에너지에 직접 노출되는 면을 활성화시키는 에너지를 발생시킨다. 에너지 공급부(900)에서 발생된 에너지(910)는 세라믹 촉매필터(100)의 제2 홈(120)의 측면(110A) 및 바닥면(110B)과 제2 면(110S)에 조사된다. 적어도 제2 홈(120)의 측면(110A) 및 바닥면(110B)과 제2 면(110S)에는 상술한 촉매층(410B)이 형성되어 있으므로, 이러한 에너지가 조사된 제2 홈(120)의 측면(110A) 및 바닥면(110B)과 제2 면(110S)의 표면은 활성화될 수 있다.
이와 같은 매커니즘을 갖는 제1 필터링 시스템(1000)에서 세라믹 촉매필터(100)에 유입되는 제1 물질(920)과 제2 물질(930)의 필터링 과정, 곧 제거과정을 살펴본다. 제1 물질(920)은 입자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 물질(920)은 입자를 포함할 수 있다. 상기 입자는, 예를 들면 입경이 10㎛이하인 입자, 곧 PM10 이하의 미립자 일 수 있다. 상기 미립자는 예를 들면, 미세먼지를 포함할 수 있다. 제2 물질(930)은 가스성 물질을 포함할 수 있는데, 예를 들면, 앞에서 설명한 휘발성 유기 화합물(VOC)을 포함할 수 있다. 제2 물질(930)은 유기 화합물을 포함할 수도 있다. 입자성의 제1 물질(920)은 제1 및 제2 홈(110, 120) 사이의 벽인 수평부분(410)을 통과하지 못하고, 제1 및 제2 수직부분(415, 425)도 통과하지 못하며, 제1 홈(110)의 벽에 쌓이게 된다. 제1 홈(110)의 측면과 바닥면 및 제1 수직부분(415)의 제1 면(120S)을 통칭해서 제1 물질(920)을 걸러내는 세라믹 촉매필터(100)의 제1 면이라 할 수 있다.
세라믹 촉매필터(100)에서 적어도 수평부분(410)은 포어(140A)를 포함하는 다공성 물질층일 수 있다. 따라서 가스성의 제2 물질(930)은 적어도 수평부분(410), 곧 제1 홈(110)의 측벽을 통과해서 제2 홈(120)으로 흐를 수 있다. 이 과정에서 제2 물질(930)은 촉매층(410B)을 통과하면서 촉매반응을 일으켜 분해될 수 있다. 예를 들면, 제2 물질(930)이 포름알데히드(HCHO)를 포함하는 경우, 상기 포름알데히드는 촉매층(410B)을 통과하면서 제2 홈(120)에 존재하는 산소와 촉매반응을 일으켜 물과 이산화탄소(CO2)로 분해될 수 있다. 이렇게 해서, 상기 포름알데히드는 제거될 수 있다.
한편, 에너지 공급부(900)에서 공급되는 에너지는 자외선에서 가시광 대역의 광 에너지를 공급하는 광 에너지 공급원, 플라즈마를 공급하는 이온 에너지 공급원, 또는 열에너지로 적외선을 공급하는 열에너지 공급원을 포함할 수 있다. 플라즈마가 공급되는 경우, 제2 물질(930)은 제2 홈(120)에 존재하는 오존과 촉매반응을 일으켜 분해될 수 있다.
한편, 일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매는 하기와 같은 방법으로 제조될 수 있다.
일 구현예에 따른 공기정화용 광촉매의 제조방법은,
자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물의 전구체를 포함하는 혼합물을 제1 열처리하여 제1 결과물을 얻는 단계;
상기 제1 결과물에 글루코스 및 수산화나트륨을 첨가하고 제2 열처리하여 제2 결과물을 얻는 단계; 및
상기 제2 결과물의 표면을 플루오린화 처리하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 공기정화용 광촉매는 글루코스(Glucose)와 수산화나트륨(NaOH)을 이용한 함침법(impregnation) 및 표면 플루오린화 처리를 통해 제조될 수 있다.
제2 금속 산화물 입자를 글루코스(Glucose)와 수산화나트륨(NaOH)을 이용한 함침법(impregnation)으로 광촉매에 담지하여 촉매의 빛 흡수율 및 전하쌍 분리 효율을 증진시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 금속 산화물의 전구체의 함량은 상기 제1 금속 산화물 입자 100 중량부 기준으로 0.1 내지 5 중량부일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 결과물에 담지된 구리 1몰 기준으로, 상기 글루코스는 2 내지 6 몰의 범위로 첨가될 수 있으며, 상기 수산화나트륨은 2 내지 16 몰 범위로 첨가될 수 있다.
상기 제1 열처리 및 상기 제2 열처리 단계는 중탕 처리로 수행될 수 있다. 중탕 처리를 통해 합침법(impregnation)으로 촉매가 잘 합성될 수 있다.
상기 제2 결과물의 표면을 플루오린화 처리하는 단계는 플루오린화 나트륨(NaF)을 이용하여 수행될 수 있다. 플루오린화 나트륨(NaF)은 플루오린화 수소(HF)보다 독성이 약하여 공정상 유해물질의 사용을 피할 수 있고, 이를 이용하여 표면 플루오린화 처리 (surface fluorination)를 통해 VOC 및 바이러스를 효과적으로 제거/분해 가능한 광촉매를 얻을 수 있다.
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]
평가예 1: 조촉매로서의 구리 효과 확인
담지할 금속 산화물의 적절한 산화상태 및 함량범위를 확인하기 위하여, 아래와 같이 함침법(impregnation)을 이용하여 Cu deposited TiO2 촉매를 합성하여 실험하였다.
먼저, TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 100중량부에 대하여 CuCl2를 각각 0.1, 0.5, 1, 2 및 5 중량부로 혼합한 후 90℃에서 1시간 동안 중탕 처리하여 CuO/TiO2 함유 용액 (제1용액)을 얻었다.
상기 CuO/TiO2 함유 용액 (제1용액)에 글루코스 (몰% 비로, Cu : Glucose = 1 : 4) 및 NaOH (몰%로, Cu : NaOH = 1 : 2, 4, 8, 16)을 각각 넣은 후, 90℃에서 1시간 동안 중탕 처리하여 Cu2O/TiO2 함유 용액 (제2용액)을 얻었다.
상기 Cu2O/TiO2 함유 용액 (제2용액)을 110℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후, 건조된 결과물을 막자사발로 그라인딩하여 Cu2O/TiO2 촉매를 제조하였다.
합성한 Cu2O/TiO2 촉매에서 조촉매로서의 구리 효과를 확인하기 위하여, Cu 함량 및 Cu:Glucose:NaOH 조성비에 따른 상기 Cu2O/TiO2 촉매의 흡광도 변화를 Solidspec-3700 기기를 이용하여 측정하고, Cu 함량에 따른 파장별 K-M (Kubelka-Munk) function 그래프를 도 2에 나타내었고, Cu:Glucose:NaOH 조성비에 따른 파장별 K-M function 그래프를 도 3에 나타내었다.
도 2에서 보는 바와 같이, 350nm 이상의 파장범위에서는 Cu의 함량이 증가할수록 흡광도가 증가하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 다만, 300-350nm의 파장범위에서는 반대 경향을 나타내고 있어, 원하는 파장영역대(300-400nm 범위)를 고려할 때 Cu가 0.5 중량부에서 가장 바람직한 흡광도를 나타낼 것으로 이해할 수 있다. 한편, 도 3에서 보는 바와 같이, Cu : Glucose : NaOH의 조성비는 1:4:4 일 때 빛 흡수율이 최고로 나타났다.
상기 Cu2O/TiO2 촉매에서 자외선의 조사여부에 의해 발생되는 광전류를 측정한 결과를 도 4에 나타내었고, 상기 Cu2O/TiO2 촉매의 빛 조사 전후의 저항을 측정한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 담지된 구리는 빛의 흡수율을 향상시킬 수 있으며, 빛(자외선)에 의해 발생된 전자를 흡수하여 전하쌍의 재결합을 막으며, 촉매의 저항을 낮춰 전하의 전달을 용이하게 하는 것을 알 수 있다.
합성한 Cu2O/TiO2 촉매에서 구리의 산화상태를 확인하기 위하여, Cu2O/TiO2 촉매에 대해 결합에너지 및 라만 스펙트럼을 측정하고, 그 결과를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다. 도 6에는 Cu:Glucose:NaOH 조성비에 따른 상기 Cu2O/TiO2 촉매의 결합에너지를 측정한 결과가 도시되며, 도 7에는, Cu2O/TiO2 촉매의 라만 스펙트럼을, CuO/TiO2 촉매와 담지체인 TiO2의 라만 스펙트럼 결과도 함께 도시하였다. CuO/TiO2 촉매는 상기 CuO/TiO2 함유 용액 (제1용액)을 110℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후, 건조된 결과물을 막자사발로 그라인딩하여 얻었다. 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 합성한 촉매는 CuO가 아닌 Cu2O로 확인되었다.
평가예 2; 담지체의 표면적 효과 확인
담지체는 종류에 따라 표면적의 차이를 나타내는데, 담지체의 표면적 효과를 확인하기 위하여, 상용화된 TiO2 제품 중 표면적이 다른 ST-01 (ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 및 P25 (PlasmaChem GmbH)을 사용하여 광촉매를 제조하였다.
ST-01 및 P25 각각의 TiO2 100중량부에 대하여 CuCl2 0.5 중량부를 혼합한 후, 90℃에서 1시간 동안 중탕 처리하여 CuO/TiO2 함유 용액을 얻었다. 상기 CuO/TiO2 함유 용액에 글루코스 및 NaOH (몰% 비로, Cu : Glucose : NaOH = 1 : 4 : 4)을 각각 넣은 후, 90℃에서 1시간 동안 중탕 처리하여 Cu2O/TiO2 함유 용액을 얻었다. 상기 Cu2O/TiO2 함유 용액 (제2용액)을 110℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후, 건조된 결과물을 막자사발로 그라인딩하여 Cu2O/TiO2 촉매를 제조하였다.
ST-01 및 P25 각각에 담지된 촉매에 대하여 비표면적 측정 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 보는 바와 같이, ST-01에 구리를 담지한 촉매(Cu2O/ST-01)의 표면적은 약 230 m2g-1 이며, P25에 구리를 담지한 촉매(Cu2O/P25)의 표면적은 약 33m2g-1 으로 7배의 표면적 차이를 보였다. 촉매는 주로 표면에서 반응이 일어나기 때문에 촉매의 표면적이 넓을수록 반응 면적 또한 증가할 것으로 예상된다.
ST-01 및 P25 각각에 담지된 촉매에 대하여 시간에 따른 VOC 제거 및 분해 효율 측정 결과를 도 9에 나타내었다. 제거 및 분해 효율 측정은 빛을 조사하기 전 15분간 암반응에서 VOC가 촉매에 흡착되어 제거되는 정도를 확인한 후 빛을 조사하여 발생되는 CO2를 통해 분해 효율을 측정하였다. 실험은 2 x 2 cm2 홀더에 촉매를 고정한 후 50 mW/cm2의 세기로 빛을 조사하였다. 가스 flow는 500 mL/min이며 VOC의 초기 농도는 20 ppm이다. 도 9에서 보는 바와 같이, 촉매의 표면적이 넓은 ST-01에 구리를 담지한 촉매(Cu2O/ST-01)가 VOC의 흡착 효율이 증가하게 되며 분해 효율 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다.
평가예 3: 표면의 플루오린화 처리 효과 확인
상기 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매를 30mM NaF (pH 3.5) 용액에 넣고 30 분간 교반한 후 여과하여 표면에 플루오린화 처리된 F-Cu2O/TiO2 촉매를 제조하였다.
담지체인 TiO2, 상기 Cu2O/TiO2 촉매 및 상기 F-Cu2O/TiO2 촉매의 결합에너지 및 저항의 측정결과를 각각 도 10 및 도 11에 나타내었다. 또한, 상기 Cu2O/TiO2 촉매 및 상기 F-Cu2O/TiO2 촉매의 시간에 따른 VOC 분해효율 측정 결과를 도 12에 나타내었다.
도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, F-Cu2O/TiO2 촉매는 표면에 F 결합이 형성된 것을 알 수 있으며, 표면 F 처리 후 빛 조사 시 촉매의 저항이 줄어 전하의 전달이 용이하게 되었음을 확인할 수 있다. 또한, 도 12에서 보는 바와 같이, F-Cu2O/TiO2 촉매는 표면 F 처리에 의해 VOC 분해 효율이 증가한 것을 확인할 수 있다. 표면 F 처리는 ROS의 발생을 높여 VOC 분해 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, VOC가 제거되며 생성되는 중간체들의 촉매 표면 흡착을 저해시켜 VOC를 지속적으로 제거/분해 할 수 있다.
각 촉매를 이용한 VOC 제거 및 분해 효율을 비교한 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
촉매 효율(%)
제거 분해 분해/제거
P25 58.0 19.6 33.8
ST-01 58.4 16.4 28.1
Cu2O/P25 50.3 21.9 43.5
Cu2O/ST-01 51.9 36.3 69.9
F-Cu2O/ST-01 44.1 42.4 96.1
평가예 4: 바이러스 제거 효과 확인
상기 평가예 1에서 합성한 Cu2O/TiO2 촉매 및 상기 평가예 3에서 합성한 F-Cu2O/TiO2 촉매의 바이러스 제거 효과를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 바이러스 제거 효과는 빛이 없는 암반응에서의 실험결과로, 바이러스의 촉매 흡착에 따른 제거 효율로 나타내며, 구체적으로는 CPE (세포병변효과, cytopathic effect)/MTT (3-(4,5-dimethythiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide) 방법과 현미경 관찰을 병행하여 분석하였다.
촉매 촉매 농도 바이러스 종류 초기 바이러스 농도
(CCID50/well)		 제거 효율(%)
10분 5시간
ST-01 2.5mg/L Influenza A 180,000 98.45 98.45
Cu2O/ST-01 2.5mg/L Influenza A 180,000 99.99 99.99
F-Cu2O/ST-01 2.5mg/L Influenza A 180,000 99.99 99.99
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서 합성한 촉매를 이용하여 바이러스 제거에 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다. ST-01 에 비해 Cu2O/ST-01 및 F-Cu2O/ST-01 촉매에서 바이러스 제거 효율이 향상된 것을 알 수 있다. 이는, Cu+ 이온에 의한 바이러스 제거 효과, 즉 미량동 효과에 따른 것임을 알 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.
100: 세라믹 촉매필터 110, 120:제1 및 제2 홈
110A:제2 홈의 측면 110B:제2 홈의 바닥면
110S:제2 면 120S:제1 면
130:유입 물질 140:배출되는 가스
410:수평부분 410A:포어
410B:촉매층 410S:에너지가 조사되는 면
415, 425:제1 및 제2 수직부분 470:제1 촉매층
900:에너지 공급부 910:공급되는 에너지
920, 930:제1 및 제2 물질 1000: 필터링 시스템
A1: 제1 부분 D1, D2: 제1 및 제2 간격
D11:제1 수직부분(415)의 직경 D22:제2 수직부분(425)의 직경

Claims (20)

  1. 자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자;
    상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 담지된 제2 금속 산화물 입자; 및
    상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면에 결합된 플루오린;
    을 포함하는 공기정화용 광촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플루오린은 상기 제1 금속 산화물 입자의 표면 중 상기 제2 금속 산화물 입자가 담지된 영역을 제외한 영역에 존재하며, 상기 제1 금속 산화물 입자와 상기 제2 금속 산화물 입자 사이의 계면에는 존재하지 않는, 공기정화용 광촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물을 1종 이상 포함하는 공기정화용 광촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 TiO2를 포함하는 공기정화용 광촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 비표면적은 20 내지 300 m2/g 범위인 공기정화용 광촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자는 1차 입자이거나, 또는 1차 입자들이 서로 응집 또는 결합된 2차 입자인 공기정화용 광촉매.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물 입자는 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 팔라듐(Pd) 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속 산화물로서 상기 제1 금속 산화물과 상이한 1종 이상을 포함하는 공기정화용 광촉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물은 Cu2O를 포함하는 공기정화용 광촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물의 함량은, 상기 제1 금속 산화물 입자 100중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부인 공기정화용 광촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자는 각각 독립적으로 구상, 튜브상, 막대상, 섬유상, 시트상 또는 이들의 조합된 형태를 갖는 공기정화용 광촉매.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 입자가 마이크로 스케일의 1차 입자 또는 2차 입자이고, 상기 제2 금속 산화물 입자는 나노미터 스케일의 1차 입자이고,
    상기 제1 금속 산화물 입자의 표면이 상기 제2 금속 산화물 입자로 둘러싸여 있는 형태인 공기정화용 광촉매.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 공기정화용 광촉매가 자외선 파장영역에서 작동하는 공기정화용 광촉매.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 공기정화용 광촉매를 포함하는 광촉매 필름.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 공기정화용 광촉매를 포함하는 공기정화장치.
  15. 제1 물질을 차단하는 제1 면과 상기 제1 면을 통과하는 제2 물질이 제거되는 제2 면을 갖는 단일체 구조물을 포함하고,
    상기 제2 면 상에, 에너지 조사에 의해 상기 제2 물질 제거를 위한 촉매층으로서 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 공기정화용 광촉매를 포함하는 촉매층이 구비되는, 세라믹 촉매 필터.
  16. 자외선 흡수성을 갖는 제1 금속 산화물 입자 및 제2 금속 산화물의 전구체를 포함하는 혼합물을 제1 열처리하여 제1 결과물을 얻는 단계;
    상기 제1 결과물에 글루코스 및 수산화나트륨을 첨가하고 제2 열처리하여 제2 결과물을 얻는 단계; 및
    상기 제2 결과물의 표면을 플루오린화 처리하는 단계;
    를 포함하는 제1항에 따른 공기정화용 광촉매의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물의 전구체의 함량은 상기 제1 금속 산화물 입자 100 중량부 기준으로 0.1 내지 5 중량부인 공기정화용 광촉매의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 결과물에 담지된 구리 1몰 기준으로, 상기 글루코스는 2 내지 6 몰의 범위로 첨가되고, 상기 수산화나트륨은 2 내지 16 몰 범위로 첨가되는 공기정화용 광촉매의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열처리 및 상기 제2 열처리는 중탕 처리로 수행되는 공기정화용 광촉매의 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 플루오린화 처리 단계는 플루오린화 나트륨(NaF)을 이용하여 수행되는 공기정화용 광촉매의 제조방법.
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