KR20240026334A - 광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템 - Google Patents

광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템 Download PDF

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양동식
이현철
이종민
지상민
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Abstract

광촉매, 광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템이 개시된다. 상기 광촉매는 표면에 제1 금속 산화물이 배치된 제2 금속 산화물의 구조체를 포함하고, 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 TiO2 대비 5% 내지 50% 높은 것일 수 있다.

Description

광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템{Photocatalyst, and catalyst filter, catalyst module, and air purification system including the photocatalyst}
광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템에 관한 것이다.
종래에는 대기 중 오염물질을 제거하기 위하여 비표면적이 넓은 흡착제(예: 활성탄)를 공기청정필터에 적용하여 가스 오염물질을 흡착/제거하는 방식을 사용하였다. 이러한 흡착/제거의 방식은 흡착된 가스 오염물질이 탈착되어 이차오염을 유발하거나, 흡착제의 재사용을위해 고온으로 가열하는 등의 별도의 재생 과정을 거쳐야 하며, 수분이 있는 조건에서 흡착제의 성능이 급격하게 저하될 수 있다.
광촉매는 촉매가 일정 에너지 이상의 빛을 받으면 전자와 정공이 형성되어 산화/환원 반응을 유도하고 이를 이용하여 가스 오염물질을 제거할 수 있는 물질이다. 이 중에서, TiO2 광촉매는 가스 오염물질을 이산화탄소로 전환하여 가스 오염물질을 분해하는 방식을 이용하고 있다. 이러한 방식의 TiO2 광촉매는 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 빠르게 재결합되어 촉매의 효율이 저하될 수 있다.
따라서 탈착에 의한 2차오염을 유발하지 않고 고온과 같은 별도의 재생 과정을 거치지 않으며, 수분의 유무와 관계없이 고효율의 산화/환원 반응을 이용한 지속적인 가스 오염물질 제거하는 방식의 광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템에 대한 요구가 있다.
일 측면은 자외선 및 가시광 파장영역의 전 영역에서 빛의 흡수가 향상되며, 수분의 유무와 관계없이 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거 효율, 및 반응 속도가 높은 광촉매를 제공하는 것이다.
다른 일 측면은 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터를 제공하는 것이다.
다른 일 측면은 상기 촉매 필터를 포함하는 촉매 모듈을 제공하는 것이다.
다른 일 측면은 상기 촉매 모듈을 포함하는 공기정화 시스템을 제공하는 것이다.
일 측면에 따라,
표면에 제1 금속 산화물이 배치된 제2 금속 산화물의 구조체를 포함하고,
200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 TiO2 대비 5% 내지 50% 높은 것인, 광촉매가 제공된다.
다른 일 측면에 따라,
다공성 세라믹 지지체; 및
상기 지지체 표면에 배치된 상술한 광촉매;를 포함하는, 촉매 필터가 제공된다.
또 다른 일 측면에 따라,
상술한 촉매 필터; 및
상기 촉매 필터에 촉매 활성화를 위한 에너지를 공급하도록 배치된 에너지 공급원;을 포함하는, 촉매 모듈이 제공된다.
또 다른 일 측면에 따라,
휘발성 유기화합물(VOCs)을 포함한 공기를 공급하는 공급수단; 및
상기 공급수단으로부터 공급된 공기 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 분해 및 제거하고, 상기 휘발성 유기화합물(VOCs)이 분해 및 제거된 공기를 배출하는 상술한 촉매 모듈이 장착된 공기정화수단;을 포함하는, 공기정화 시스템이 제공된다.
일 측면에 따른 광촉매는 표면에 제1 금속 산화물이 배치된 제2 금속 산화물의 구조체이다. 상기 광촉매는 자외선 및 가시광 파장영역의 전 영역에서 빛의 흡수가 향상되며, 수분의 유무와 관계없이 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거 효율, 및 반응 속도가 높다. 따라서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs) 분해 및 제거를 위한 공기정화 시스템에의 적용이 가능하다.
도 1a는 일 구현예에 따른 광촉매의 구조 및 작동원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1b는 일 구현예에 따른 광촉매의 제1 금속 산화물과 제2 금속 산화물의 밴드갭 에너지이다.
도 2는 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 결과이다.
도 3은 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 발광스펙트럼이다.
도 4는 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 및 TiO2 광촉매에서 파장별 쿠벨카-뭉크-함수 (K-M (Kubelka-Munk) function) 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 3에 의해 제조된 ST-01 및 P25 각각에 담지된 Cu2O/TiO2 촉매의 비표면적을 측정한 결과이다.
도 6은 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매에서 자외선(UVA) 조사여부에 따른 시간별 광전류 밀도를 측정한 결과이다.
도 7은 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 자외선(UVA) 조사 하에 - 0.5 V 내지 2.0 V (vs. Ag/AgCl) 범위의 전위로 인가할 때 체적당 전하밀도를 측정한 결과이다.
도 8은 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 자외선(UVA) 조사 후의 저항을 측정한 결과이다.
도 9는 일 구현예에 따른 촉매 필터를 나타낸 개략도이다.
도 10a는 일 구현예에 따른 촉매 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 10b는 도 10a의 촉매 모듈이 장착된 챔버를 나타낸 개략도이다.
도 11은 일 구현예에 따른 공기정화 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 12는 도 11의 공급수단의 일 예인 제2 공급수단의 가스 공급부를 나타낸 개략도이다.
도 13은 도 11의 가스 공급부의 개략도이다.
도 14는 도 11의 가스 공급부에 포함된 반응기의 개략도이다.
도 15는 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율의 측정을 위한 반응기의 개략도이다.
도 16은 도 15의 반응기를 이용하여 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 23℃의 온도, 0% 및 50% 상대습도(RH)에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율을 측정한 결과이다.
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.
본 명세서에서 구성요소들의 앞에 "적어도 1종", "1종 이상", 또는 "하나 이상"이라는 표현은 전체 구성요소들의 목록을 보완할 수 있고 상기 기재의 개별 구성요소들을 보완할 수 있는 것을 의미하지 않는다. 본 명세서에서 "조합"이라는 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 본 명세서에서 "포함"이라는 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 순서, 양 또는 중요성을 나타내지 않고, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥에 의해 명백하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "또는"은 달리 명시하지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일구현예", "구현예" 등은 실시예와 관련하여 기술된 특정 요소가 본 명세서에 기재된 적어도 하나의 실시예에 포함되며 다른 실시예에 존재할 수도 존재하지 않을 수도 있음을 의미한다. 또한, 기재된 요소들은 다양한 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야한다.
달리 기술되지 않는다면, 모든 백분율, 부, 비 등은 중량 기준이다. 또한 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한치와 바람직한 하한치의 목록 중 어느 하나로 주어질 경우, 이것은 범위가 별도로 개시되는 지에 관계없이 임의의 상한 범위 한계치 또는 바람직한 값과 임의의 하한 범위 한계치 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다.
수치값의 범위가 본 명세서에서 언급될 경우, 달리 기술되지 않는다면, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 정수와 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 언급되는 특정 값으로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
달리 규정하지 않는 한, 단위 「중량부」는 각 성분 간의 중량비율을 의미하며, 단위 「질량부」는 각 성분 간의 중량비율을 고형분으로 환산한 값을 의미한다.
본 명세서에 사용된 "약"은 언급된 값을 포함하며 해당 측정 및 특정 양의 측정과 관련된 오류를 고려하여 당업자에 의해 결정된 특정값에 대한 허용 가능한 편차범위 내를 의미한다(즉, 측정 시스템의 한계). 예를 들어, "약"은 하나 이상의 표준편차 이내, 또는 명시된 값의 ± 30%, 20%, 10% 또는 5% 이내를 의미할 수 있다.
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 구현예는 이상화된 실시예의 개략도인 단면도를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. 따라서, 예를 들어 제조기술 및/또는 허용오차의 결과로 예시의 모양이 달라질 수 있다. 따라서, 여기에 설명된 실시예는 여기에 설명된 영역의 특정 형상으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 예를 들어 제조과정에서 발생하는 형상의 편차를 포함해야 한다. 예를 들어, 평평한 것으로 예시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거친 및/또는 비선형 특징을 가질 수 있다. 또한, 예시된 예각은 둥글 수 있다. 따라서, 도면에 예시된 영역은 본질적으로 도식적이며 그 형상은 영역의 정확한 형상을 예시하기 위한 것이 아니며 본 청구범위의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
이하에서 예시적인 구현예들에 광촉매, 및 상기 광촉매를 포함하는 촉매 필터, 촉매 모듈, 및 공기정화 시스템에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
일 구현예에 따른 광촉매는 표면에 제1 금속 산화물이 배치된 제2 금속 산화물의 구조체를 포함한다.
도 1a는 일 구현예에 따른 광촉매의 구조 및 작동원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1a를 참조하여 설명하면, 광촉매는 표면에 제1 금속 산화물, 예를 들어 Cu2O이 배치된 제 2 금속 산화물, 예를 들어 TiO2의 구조체이다.
제2 금속 산화물은 표면에 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛(자외선) 에너지가 조사되면 전자가 가전도대(valence band)에서 전도대(conductive band)로 전이하면서 전자(e-)와 정공(h+) 쌍이 생성된다. 가전도대에서 생성되는 정공은 산화반응에 기여하며, 표면에 흡착된 물 분자와 반응하여 히드록실 라디칼(OH)을 생성시키거나 직접 반응을 통하여 유기물, 예를 들어 휘발성 유기화합물(VOCs)을 산화시킨다. 전도대에서 생성되는 전자는 산소분자의 환원반응을 일으켜 슈퍼옥사이드 이온(O2 -)을 형성하고, 몇 단계의 추가 반응을 통하여 히드록실 라디칼을 생성시킨다. 정공과 전자에 의해서 생성된 히드록실 라디칼에 의해 휘발성 유기화합물(VOCs)은 이산화탄소와 물로 분해될 수 있다. 그러나, 제2 금속 산화물 단독의 광촉매는 전자와 정공이 빠르게 재결합되어 촉매의 효율이 저하될 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매의 제1 금속 산화물은 전자가 가전도대(valence band)와 전도대(conductive band)의 간격이 제2 금속 산화물보다 상대적으로 좁다. 이로 인해, 가시광선 영역에서도 휘발성 유기화합물(VOCs)을 산화시켜 분해하는 특성을 갖고 있다. 상기 제1 금속 산화물은 제2 금속 산화물 표면에 배치(또는 담지)되어 제2 금속 산화물의 표면에 생성된 많은 전자(e-)를 흡수할 수 있다. 그 결과, 제1 금속 산화물의 정공(h+)의 숫자가 증가하고 산화반응이 증가함으로써 휘발성 유기화합물(VOCs)의 산화가 촉진되고 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거 효율과, 제거 반응 속도를 높일 수 있다. 또한 제2 금속 산화물과 제1 금속 산화물 계면에서의 우수한 전하의 전달은 휘발성 유기화합물(VOCs)에서 이산화탄소로의 환원 반응에 더 많은 전자를 이동시켜 에너지 전환율을 보다 높일 수 있다. 이는 일 구현예에 따른 광촉매의 자외선 및 가시광 파장영역에서의 흡광도를 높일 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 TiO2 대비 5% 내지 50% 높은 것일 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에 따른 광촉매는 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 TiO2 대비 6% 내지 49%, 7% 내지 48%, 8% 내지 47%, 9% 내지 46%, 10% 내지 45%, 또는 10% 내지 44% 높은 것일 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 200 nm 내지 400 nm의 자외선 파장영역 중 임의의 파장에서 흡광도가 TiO2 대비 30% 이상 높은 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 광촉매는 200 nm 내지 400 nm의 자외선 파장영역 중 임의의 파장에서 흡광도가 30% 내지 400% 높은 것일 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 분석예 2 및 도 4에 의해 확인할 수 있다. 임의의 파장의 예로는, 254 nm, 320 nm, 365 nm, 또는 420 nm 파장을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제1 금속 산화물의 제1 금속의 산화수는 +1일 수 있다. 산화수가 +1가인 제1 금속 산화물은 대기 중에서 불안정한 상태로, 제2 금속 산화물 표면에서 제1 금속 산화물로의 전자 전달을 용이하게 할 수 있다.
도 1b는 일 구현예에 따른 광촉매의 제1 금속 산화물과 제2 금속 산화물의 환원전위(vs. NHE)이다.
도 1b를 참조하면, 산화수가 +1가인 제1 금속 산화물, 예를 들어 Cu2O의 밴드갭 에너지는 2.1 eV이다. 산화수가 +1가인 제1 금속 산화물은 제2 금속 산화물, 예를 들어 TiO2 (아나타제형)의 밴드갭 에너지 3.2 eV 보다 좁지만, 산화수가 +2가인 구리 산화물인 CuO의 밴드갭 에너지 1.8 eV보다 넓다. 따라서 산화수가 +1가인 제1 금속 산화물은 산화수가 +2가인 금속 산화물과 비교하여 자외선 및 가시광 파장영역에서 높은 전하 분리 및 흡광도를 가져 효율적인 광촉매 활성을 가질 수 있다.
상기 제1 금속 산화물은 구리, 백금, 금, 은, 아연, 망간, 및 이들 합금 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물은 Cu2O, Pt2O, Au2O, Ag2O, Zn2O, 및 Mn2O 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물은 Cu2O일 수 있다. Cu2O는 p형 반도체 촉매로써 고효율의 환원 반응을 유도할 수 있다. 또한 빛(자외선)에 의해 발생된 전자를 흡수하여 전자(e-)와 정공(h+) 쌍의 재결합을 막을 수 있으며, Cu2O와 제1 금속 산화물의 계면에서 우수한 전자 전달로 인해 빛의 흡수를 향상시켜 자외선 및 가시광 파장영역에서의 흡광도가 높아질 수 있다.
상기 제1 금속 산화물의 함량은 상기 제2 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 내지 10 중량부일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물의 함량은 상기 제2 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 내지 9 중량부일 수 있으며, 0.5 중량부 내지 8 중량부일 수 있고, 0.5 중량부 내지 7 중량부일 수 있고, 0.5 중량부 내지 6 중량부일 수 있고, 0.5 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물의 함량은 상기 제2 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 내지 3 중량부일 수 있다. 제1 금속 산화물의 함량이 상기 범위에서 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서의 흡광도가 보다 향상될 수 있고, 광촉매의 광전류 밀도 및 전하 캐리어 밀도가 증가하며, 임피던스를 낮춰 전하의 전달을 용이하게 할 수 있다. 그 결과, 일 구현예에 따른 광촉매는 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거 효율과, 제거 반응 속도를 높일 수 있다.
상기 제2 금속 산화물은 티타늄 아연, 지르코늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 이들 합금 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 산화물은 TiO2, ZnO, ZrO2, Ta2O5, 및 WO3 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 산화물은 TiO2일 수 있다.
상기 제1 금속 산화물 또는 제2 금속 산화물은 독립적으로 입자, 와이어, 클러스터, 결정, 또는 이들 조합의 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 산화물 또는 제2 금속 산화물은 독립적으로 입자 또는 결정일 수 있다. 입자 또는 결정의 형태는 각각 독립적으로 구상, 튜브상, 막대상, 섬유상, 시트상 또는 이들의 조합된 형태를 가질 수 있으며, 광촉매의 흡광효율을 제어하기 위하여, 서로 동일하거나 다른 형태를 가질 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 제2 금속 산화물 입자 표면에 제1 금속 산화물 입자가 아일랜드(island) 형태로 배치되거나 또는 제2 금속 산화물 입자를 둘러싼 형태일 수 있다.
상기 제1 금속 산화물은 나노 크기의 1차 입자이고, 제2 금속 산화물은 마이크로 크기의 1차 입자 또는 2차 입자일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속 입자의 평균입경은 5 nm 내지 10 nm일 수 있다. 상기 제1 금속 입자의 평균입경이 상기 범위 내에서 제2 금속 산화물 입자의 표면에 제1 금속 산화물 입자의 배치가 용이하면서 광촉매 활성이 개선된 광촉매를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 산화물의 1차 입자의 평균입경은 0.1 nm 내지 20 nm일 수 있으며, 예를 들어 1 nm 내지 10 nm일 수 있고, 예를 들어 3 nm 내지 7 nm일 수 있다. 상기 제2 금속 산화물의 1차 입자들이 응집된 2차 입자의 평균입경은 10 nm 내지 200 nm일 수 있으며, 예를 들어 30 nm 내지 150 nm일 수 있고, 예를 들어 50 nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 범위에서 제1 금속 산화물 입자는 원하는 수준의 비표면적을 얻을 수 있다.
상기 제2 금속 산화물의 1차 입자 또는 2차 입자의 비표면적은 100 m2/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속 산화물의 1차 입자 또는 2차 입자의 비표면적은 100 m2/g 내지 500 m2/g일 수 있으며, 예를 들어 100 m2/g 내지 450 m2/g일 수 있고, 예를 들어 100 m2/g 내지 400 m2/g일 수 있고, 예를 들어 100 m2/g 내지 350 m2/g일 수 있고, 예를 들어 100 m2/g 내지 300 m2/g일 수 있고, 예를 들어 100 m2/g 내지 250 m2/g일 수 있고, 예를 들어 100 m2/g 내지 230 m2/g일 수 있다. 상기 제2 금속 산화물의 1차 입자 또는 2차 입자의 비표면적이 상기 범위에서 휘발성 유기화합물(VOCs)의 흡착 면적이 넓어져 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거 효율이 증가할 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 360 nm 내지 365 nm 파장의 자외선 조사 하에 0.5 V vs. Ag/AgCl 전위에서 100 초 내지 110 초 사이의 평균 광전류 밀도가 20 ㎂/cm2 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 평균 광전류 밀도가 20 ㎂/cm2 내지 50 ㎂/cm2일 수 있고, 20 ㎂/cm2 내지 30 ㎂/cm2일 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 360 nm 내지 365 nm 파장의 자외선 조사 하에 - 0.5 V 내지 2.0 V (vs. Ag/AgCl) 범위의 전위로 인가할 때 하기 식 1에 따른 전하 캐리어 밀도가 3.0 x 1020/cm3 이상일 수 있다. 예를 들어, 하기 식 1에 따른 전하 캐리어 밀도가 3.0 x 1020/cm3 내지 4.0 x 1020/cm3일 수 있다.
[식 1]
식 중에서, ND는 전하 캐리어 밀도(cm-3)이고,
Csc는 공간(space) 전하 용량(F cm-2)이고,
e는 기본 전하이고,
ε는 전극재의 비유전상수이고,
ε 0 는 진공 유전율이고,
E s 는 인가된 전위(V)이고,
E FB 는 평활 전위(flat band potential, V)이고,
k는 볼츠만 상수(1.38 × 10-23 J K-1)이고,
T는 절대온도(K)이다.
상기 평균 광전류 밀도 및 전하 캐리어 밀도는 후술하는 평가예 1, 도 6, 및 도 7에 의해 확인할 수 있다.
상기 광촉매는 가스성 휘발성 유기화합물(VOC) 분해 및 제거를 위해 사용될 수 있다. 상기 광촉매는 오존이 발생하지 않는다.
일 구현예에 따른 광촉매는 23℃, 0% 상대습도(RH)에서 하기 식 2에 따른 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율(decomposition efficiency)이 85% 이상이고, 23℃, 50% 상대습도(RH)에서 하기 식 2에 따른 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율(decomposition efficiency)이 90% 이상일 수 있다:
[식 2]
분해효율(%) = {(CO2로의 전환 농도)/(초기 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도) x 100}
이에 대해서는 후술하는 평가예 3, 도 15 및 도 16에 의해 확인할 수 있다.
일 구현예에 따른 광촉매는 하기와 같은 방법으로 제조될 수 있다.
제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물의 전구체를 포함하는 혼합물을 제1 열처리하여 제1 결과물을 얻는 단계; 및 상기 제1 결과물에 글루코스 및 수산화나트륨을 첨가하고 제2 열처리하여 제2 결과물을 얻는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물의 전구체의 함량은 상기 제2 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 내지 10 중량부일 수 있다. 상기 제1 결과물에 담지된 구리 1몰을 기준으로 하여 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 통한 합침법(impregnation)으로 촉매가 잘 합성될 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 촉매 필터는 다공성 세라믹 지지체; 및 상기 지지체 표면에 배치된 상술한 광촉매;를 포함할 수 있다.
도 9는 일 구현예에 따른 촉매 필터를 나타낸 개략도이다.
도 9를 참조하면, 촉매 필터(6)는 다공성 세라믹 지지체(4) 및 상기 지지체(4) 표면에 광촉매의 입자 또는 입자 응집체(5)가 코팅된 것을 나타낸다. 다공성 세라믹 지지체(4)는 강도가 높고 비표면적이 커 광촉매의 활성을 높일 수 있다. 또한 다공성 세라믹 지지체(4)는 강산 고온, 강한 바람과 같은 외부 환경 하에서도 형태가 유지될 수 있으며, 통기성이 좋아 압력손실을 낮출 수 있다.
다공성 세라믹 지지체(4)는 허니컴 구조일 수 있다. 단면이 원형, 타원형, 직사각형 또는 정사각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있다. 다공성 세라믹 지지체(4)는 수 밀리미터(mm) 또는 수십 밀리미터(mm) 크기의 높이와 직경을 가진 원통형, 직육면체형, 또는 정육면체형 등의 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 다공성 세라믹 지지체(4)는 인치당 약 수백 개의 정사각형 셀을 갖는 허니컴 구조일 수 있다. 다공성 세라믹 지지체(4)는 정사각형 셀들을 통하여 휘발성 유기화합물(VOC)을 포함하는 공기가 유입될 수 있다. 예를 들어, 정사각형 셀 크기는 수백 cpsi일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다공성 세라믹 지지체(4)는 마그네슘 산화물, 실리콘 산화물, 및 알루미늄 산화물 성분을 약 50% 이상 포함할 수 있다. 다공성 세라믹 지지체(4)는 알칼리 산화물 성분을 더 포함할 수 있다. 상기 알칼리 산화물 성분의 예로는, Li2O, Na2O, K2O 등을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 산화물 성분이 더 포함된 다공성 세라믹 지지체(4)는 고온에도 열적변형 없이 촉매 필터(6)의 형태를 유지할 수 있다. 다공성 세라믹 지지체(4)는 단층 또는 복수의 적층체일 수 있고, 단일 구조물일 수 있다.
또 다른 일 구현예에 따른 촉매 모듈은 상술한 촉매 필터; 및 상기 촉매 필터에 촉매 활성화를 위한 에너지를 공급하도록 배치된 에너지 공급원;을 포함할 수 있다.
상기 에너지 공급원은 광 에너지 공급원, 전기 에너지 공급원, 이온 에너지 공급원, 및 열 에너지 공급원 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광에너지 공급원은 자외선에서 가시광 대역의 광 에너지를 공급하는 것일 수 있다. 이온 에너지 공급원은 플라즈마를 공급하는 것일 수 있다. 열 에너지 공급원은 열에너지로 적외선을 공급하는 것일 수 있다. 상기 에너지 공급원은 UV-LED를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 UV-LED는 UVA, UVB, 또는 UVC를 포함할 수 있다.
도 10a는 일 구현예에 따른 촉매 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 10a를 참조하면, 촉매 모듈(10)은 상술한 지지체 표면에 광촉매의 입자 또는 입자 응집체가 코팅된 촉매 필터(11) 및 촉매 필터(11)에 촉매 활성화를 위한 광이 조사되도록 배치된 광 방출부(12)를 포함한다. 광 방출부(12)는 단수 또는 복수의 광원을 포함하는 광원 어레이를 포함할 수 있다. 광 방출부(12)는 기판, 상기 기판 상에 구비된 광 방출소자, 및 상기 광 방출소자를 밀봉하고 보호하는 캡슐을 포함할 수 있다. 광 방출소자는 UV-LED이거나 UV-LED를 포함할 수 있다. 기판은 광 방출소자의 동작 제어를 위한 제어부, 예를 들어 회로부 등을 포함할 수 있다. 캡슐은 기판 상에 형성되고, 기판 상에서 광 방출소자 전체를 덮도록 구비될 수 있다. 캡슐은 광 방출소자로부터 방출되는 광에 대해 투명한 재료로 형성될 수 있다. 촉매 모듈(10)은 광 방출부(12)가 배치된 촉매 필터(11)의 반대면을 향하여 배치된 순환 팬(3)을 더 포함할 수 있다. 광 방출부(12)와 순환 팬(3)은 전원에 연결된다. 촉매 모듈(10)이 동작할 때, 광 방출부(12)는 광 방출부(12)와 마주보는 촉매 필터(11)의 면에 광을 방출하고 방출된 광을 촉매 필터(11)가 흡수하여 상기 면에 활성화된 광촉매층을 형성할 수 있다. 상기 활성화된 촉매층은 상술한 도 1a에서 설명한 대로 산화/환원 반응에 의해 휘발성 유기화합물(VOC)를 분해 및 제거할 수 있다.
도 10b는 도 10a의 촉매 모듈이 장착된 챔버를 나타낸 개략도이다. 도 10b에서, 일 측면과 상기 일 측면에 평행한 다른 일 측면에 가스 유입구(1)와 가스 배출구(2)를 설치하고, 가스 배출구(2)가 위치한 측면에 순환 팬(3)이 위치하도록 내부에 촉매 모듈(10)이 장착된 챔버를 보여준다.
도 11은 일 구현예에 따른 공기정화 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 11을 참조하면, 공기정화 시스템은 휘발성 유기화합물(VOC)을 포함한 공기를 공급하는 공급수단(40); 및 상기 공급수단으로부터 공급된 공기 중에서 휘발성 유기화합물(VOC)을 분해 및 제거하고, 상기 휘발성 유기화합물(VOC)이 분해 및 제거된 공기를 배출하는 상술한 촉매 모듈이 장착된 공기정화수단(50);을 포함한다. 공기정화 시스템은 상기 공기정화수단에 존재하는 휘발성 유기화합물(VOC)의 종류 및 농도를 측정하는 분석수단(60);을 더 포함한다. 분석수단(60)은 상기 공기정화수단(50)과 연결되어 순환한다. 상기 공기정화수단(50)은 도 10b의 챔버에 대응된다.
공급수단(40)은 휘발성 유기화합물(VOC)을 포함한 공기를 직접 공급하는 제1 공급수단 및 캐리어 가스 및 공정 가스를 혼합하고 기화하여 가스성 휘발성 유기화합물(VOC)을 공급하는 제2 공급수단을 포함한다.
상기 휘발성 유기화합물(VOC)은 가스성 포름알데히드, 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔을 포함한다.
상기 제1 공급수단은 일정한 농도의 가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 가스 공급부로부터 배출되는 가스 흐름을 감지하고 함량을 조절하는 제어부를 포함한다. 상기 제1 공급수단에 의해 공급되는 가스는 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔일 수 있다.
상기 제2 공급수단에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명하고자 한다.
도 12는 도 11의 공급수단의 일 예인 제2 공급수단의 가스 공급부를 나타낸 개략도이다.
도 12를 참조하면, 제2 공급수단(41)은 일정한 농도의 반응 가스(G1)를 공급하는 가스 공급부(41) 및 가스 공급부(41)로부터 공급된 반응 가스(G1)를 이용하여 소정의 공정을 수행하는 공정부(20)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 가스 공급부(41)는 고체 형태의 반응 물질(M)을 이용하여 기체 형태의 반응 가스(G1)를 공급할 수 있다.
공정부(20)는 가스 공급부(41)로부터 반응 가스(G1)를 공급받아 물리적, 화학적 공정을 수행할 수 있는 임의의 장치이다. 일 예로서, 공정부(20)는 식각 공정, 증착 공정 등과 같이 일정한 농도의 반응 가스(G1)를 공급받아 반도체 생산 공정 또는 디스플레이 생산 공정을 수행하는 생산 장치에 사용될 수 있다. 또한, 공정부(20)는 오염 물질 제거와 같이 일정한 농도의 반응 가스(G1)를 공급받아 오염 물질의 제거 정도를 확인하는 실험 장치에 사용될 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 공정부(20)는 일정한 농도의 반응 가스(G1)를 공급받아 후속 공정을 수행할 수 있는 임의의 장치에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 일정한 농도를 구비하는 기체 형태의 반응 가스(G1)를 공정부(20)에 연속적으로 공급하기 위해, 가스 공급부에는 일정한 농도를 구비하는 기체 형태의 반응 가스(G1)가 수용될 수 있다. 이 경우, 가스 공급부에 수용되는 반응 가스(G1)의 형태가 기체 형태이므로, 가스 공급부(10)의 체적이 급격하게 증가할 수 있다. 일 구현예에 따른 가스 공급부(41)에 수용되는 반응 물질(M)은 고체 형태이므로, 가스 공급부(41)의 전체 체적을 감소시킬 수 있다. 반면, 고체 형태의 반응 물질(M)을 기체 형태의 반응 가스(G1)로 변환하는 과정에서 가스 공급부(41)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도가 일정하지 않을 수 있다, 고체 형태의 반응 물질(M)을 기체 형태의 반응 가스(G1)로 변환시키고, 가스 공급부(10)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 도 13에 따른 가스 공급부를 이용할 수 있다.
도 13을 참조하면, 일 구현예에 따른 가스 공급부는 고체 형태의 반응 물질(M)을 수용하는 반응기(100), 반응 물질(M)에 열을 인가하는 히터(110), 반응 가스(G1)를 공정부(20)로 배출시키는 가스 배출부(340), 캐리어 가스 공급부(200), 반응기(100)에 소정의 펌핑 압력을 인가하는 가스 펌프(320), 공정 가스 공급부(400), 제어부(500) 및 농도 측정부(600)를 포함할 수 있다.
반응기(100)는 반응 물질(M)을 수용하고, 고체 형태의 반응 물질(M)이용하여 기체 형태의 반응 가스(G1)를 생성하기 위한 공간을 제공할 수 있는 수용부이다. 일 예로서, 반응기(100)에 수용되는 고체 형태의 반응 물질(M)은 히터(110)로부터 열을 인가받아 기화할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 일 구현예에 따른 반응 물질(M)은 기화에 용이하도록 분말 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어 반응 물질(M)은 분말 형태의 ρ-포름알데히드(paraformaldehyde), 고체상, 액체상 휘발성 물질 중 어느 하나일 수 있다. 반응기(100)의 상부에는 반응 가스(G1)가 배출될 수 있는 가스 배출부(130)가 배치될 수 있다. 또한, 반응기(100)의 측부에는 후술하게 될 가스 펌프(320)로부터 펌핑 가스가 유입 및 배출될 수 있는 펌핑 가스 유입부(310) 및 펌핑 가스 배출부(340)가 배치될 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 가스 배출부(130), 펌핑 가스 유입부(310) 및 펌핑 가스 배출부(320)의 배치는 반응 가스(G1) 및 펌핑 가스의 종류에 따라 상이하게 배치될 수도 있다.
히터(110)는 반응 물질(M)에 열을 인가하여 반응 가스(G1)로 변화시키기 위한 가열원이다. 일 예로서, 히터(110)는 반응기(100)의 하부에 배치될 수 있으며, 반응 물질(M)은 히터(110)의 상부에 배치될 수 있다. 예를 들어 히터(110)는 상부에 배치된 반응 물질(M)에 균일하게 열을 인가할 수 있는 핫플레이트일 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 반응 물질(M)에 열을 인가할 수 있는 임의의 가열 장치가 배치될 수도 있다. 일 구현예에 따른 히터(110)는 후술하게 될 제어부(500)에 의해 가열 여부가 제어될 수 있다.
캐리어 가스 공급부(200)는 반응기로(100)부터 배출되는 반응 가스(G1)를 공정부(20)로 이동시키기위한 캐리어 가스(G2)를 공급할 수 있다. 일 구현예에 따른 캐리어 가스(G2)는 반응 가스(G1)와 화학 반응을 하지 않는 불활성 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어 캐리어 가스(G2)는 질소, 산소, 공기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 반응기(100)의 상부에는 캐리어 가스(G2)가 유입될 수 있는 캐리어 가스 유입부 (210)가 배치될 수 있다. 캐리어 가스 공급부(200)와 캐리어 가스 유입부 (210) 사이에는 캐리어 가스(G2)의 공급을 차단 및 해제하는 제1 개폐 밸브(710)가 배치될 수 있다, 일 구현예에 따른 제1 개폐 밸브(710)는 후술하게 될 제어부(500)에 의해 개폐 여부가 제어될 수 있다. 예를 들어 히터(110)를 이용하여 반응 물질(M)에 열을 인가하는 경우, 반응 가스(G1)의 농도가 소정의 목표 농도를 초과할 때까지 제1 개폐 밸브(710)는 차단되도록 제어될 수 있다. 반응 가스(G1)의 농도가 소정의 목표 농도를 초과한 이후, 제1 개폐 밸브(710)는 해제될 수 있다. 이때, 캐리어 가스(G2)가 반응기(100)의 내부로 유입될 수 있다.
가스 펌프(320)는 반응기(100)에 소정의 펌핑 압력을 인가할 수 있다. 일 예로서, 가스 펌프(320)는 반응기(100)에 소정의 펌핑 압력을 인가하여 반응기(100) 내부에 배치되는 반응 가스(G1)의 농도를 상대적으로 균일하게 조정할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 도 14에 도시된 바와 같이, 히터(110)는 반응기(100)의 하부에 배치되며, 고체 형태의 반응 물질(M)은 히터(110)로부터 열을 인가 받을 수 있다. 이에 따라 반응기(100)의 하부에서 감지되는 반응 가스(G1)의 농도가 반응기(100)의 상부에서 감지되는 반응 가스(G1)의 농도 보다 높을 수 있다. 이 경우, 가스 배출부(130)를 통해 배출되는 반응 가스(G1)의 농도가 일정하지 않을 수 있다.
일 구현예에 따른 가스 펌프(320)는 반응기(100)의 상부 영역에 펌핑 압력을 인가하여 반응 가스(G1)를 순환시킬 수 있다. 이때, 반응 가스(G1)가 순환하는 상부 영역에서, 반응 가스(G1)의 농도는 상대적으로 균일할 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)의 내부는 반응 가스의 농도 비균일 영역(A1)과 반응 가시의 농도 균일 영역(A2)으로 구별될 수 있다.
일 예로서, 반응기(100)에는 가스 펌프(320)로부터 공급되는 펌핑 가스가 유입되는 펌핑 가스 유입부(310) 및 펌핑 가스가 배출되는 펌핑 가스 배출부(340)가 배치될 수 있다. 이때, 펌핑 가스 배출부(340)는 반응기(100)의 하부면으로부터 제1 높이(H1)에 배치되고, 히터(110)는 상기 반응기의 하부면으로부터 제2 높이(H2)에 배치되며, 제1 높이(H1)가 제2 높이(H2)를 초과하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 펌핑 가스 배출부(340)가 배치되는 제1 높이(H1)까지의 영역에서는 반응 가스의 농도 비균일 영역(A1)이 형성될 수 있다. 즉, 반응 가스의 농도 비균일 영역(A1)에서는, 고체 형태의 반응 물질(M)이 열을 인가 받아 반응 가스(G1)로 변환됨으로써, 반응 가스(G1)의 농도가 위치에 따라 상이할 수 있다. 반면, 펌핑 가스 배출부(340)가 배치되는 제1 높이(H1)를 초과하는 영역에서는 반응 가스의 농도 균일 영역(A2)이 형성될 수 있다. 즉, 반응 가스의 농도 균일 영역(A1)에서는, 가스 펌프(320)에 의해 인가되는 펌핑 압력에 의해 반응 가스(G1)가 순환함으로써, 반응 가스(G1)의 농도가 위치에 따라 상대적으로 균일하게 유지될 수 있다. 따라서, 반응 가스의 농도 균일 영역(A2)에 배치된 가스 배출부(130)에는 일정한 농도의 반응 가스(G1)가 배출될 수 있다.
또한, 일 구현예에 따르면, 가스 펌프(320)의 펌핑 압력은 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다. 일 예로서, 제어부(500)는 후술하게 될 농도 측정부(600)로부터 확인된 반응 가스(G1)의 농도를 수신한 후, 반응 가스(G1)의 농도 변화에 따라 펌핑 압력을 조잘할 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도가 변화하는 경우, 제어부(500)는 펌핑 압력을 증가시켜, 반응 가스(G1)의 순환을 증가시킴으로써, 반응 가스(G1)의 농도를 일정하게 조정할 수 있다.
공정 가스 공급부(400)는 반응기로(100)부터 배출되는 반응 가스(G1)와 혼합되는 공정 가스(G3)를 추가적으로 공급할 수 있다. 일 구현예에 따른 공정 가스는 반응 가스(G1)와 화학 반응을 하지 않는 불활성 기체 또는 공정부(20)에서 사용될 수 있는 임의의 다른 공정 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어 캐리어 가스(G2)는 질소, 산소, 공기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 공정 가스(G3)는 반응기(100)의 외부에서 반응 가스(G1)와 혼합되도록 배치될 수 있다. 공정 가스 공급부(400)에는 공정 가스(G3)의 공급을 차단 및 해제하는 제2 개폐 밸브(720)가 배치될 수 있다, 일 예시에 따른 제2 개폐 밸브(720)는 후술하게 될 제어부(500)에 의해 개폐 여부가 제어될 수 있다.
제어부(500)는 히터(110) 및 가스 펌프(320)의 작동을 제어하고, 제1 개폐 밸브 내지 제3 개폐 밸브(710, 720, 730)의 차단 시간 및 해제 시간을 제어할 수 있는 있는 제어 장치이다. 일 구현예로서, 제어부(500)는 가스 공급부(41)의 전반적인 기능 및 동작을 제어하는 프로세서, 가스 공급부(410)의 동작을 위한 프로그램과, 이에 필요한 데이터가 저장될 수 있는 메모리 및 입력부와 출력부를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.
농도 측정부(600)는 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도를 측정한 후, 반응 가스(G1)의 농도 정보를 제어부(500)에 전달할 수 있는 측정 장치이다. 여기서, 반응 가스(G1)의 농도 정보는 가스 배출부(130)를 통과하는 전체 기체 중에서 반응 물질(M)로부터 기화된 기체 형태의 반응 가스(G1)의 농도 정보를 의미한다. 농도 측정부(600)에는 기체 형태의 반응 가스(G1)의 농도를 측정할 수 있는 임의의 측정 장비가 사용될 수 있다.
일 구현예에 따른 가스 공급부를 포함하는 제2 공급수단의 작동방법은 아래와 같다.
일 구현예에 따라 반응기(100) 내부에 고체 형태 또는 액체 형태의 휘발성 물질 중 하나 이상을 포함하는 반응 물질(M)을 배치할 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)의 하부에는 히터(110)가 배치될 수 있으며, 반응 물질(M)은 히터(110)의 상부에 배치될 수 있다. 반응기(100)에 배치되는 고체 형태의 반응 물질(M)은 히터(110)로부터 열을 인가받아 기화할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 일 구현예에 따른 반응 물질(M)은 기화에 용이하도록 분말 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어 반응 물질(M)은 분말 형태의 ρ-포름알데히드(ρ-formaldehyde)일 수 있다.
다음으로, 반응 물질(M)에 열을 인가하여 반응 가스(G1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 고체 형태의 반응 물질(M)에 히터(110)를 이용하여 열을 인가하는 경우, 고체 형태의 반응 물질(M)이 기화하여 기체 형태의 반응 가스(G1)가 생성될 수 있다. 이때, 반응 가스(G1)의 농도가 목표 농도를 초과하기 전까지 반응기(100)의 내부는 밀폐될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스 공급부(200)에 연결된 제1 개폐 밸브(710), 공정 가스 공급부(400)에 연결된 제2 개폐 밸브(720) 및 공정부(20)와 연결된 제3 개폐 밸브(730)는 모두 차단되도록 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다.
다음으로, 반응기(100) 내부에 캐리어 가스(G2)를 공급할 수 있다. 예를 들어, 반응 가스(G1)의 농도가 목표 농도를 초과하는 경우, 반응기(100)의 내부에 캐리어 가스(G2)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 캐리어 가스 공급부(200)에 연결된 제1 개폐 밸브(710)는 제어부(500)에 의해 차단이 해제될 수 있으며, 이에 따라 캐리어 가스(G2)가 반응기(100) 내부로 공급될 수 있다. 일 구현예에 따른 캐리어 가스(G2)는 반응 가스(G1)와 화학 반응을 하지 않는 불활성 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스(G2)는 질소, 산소, 공기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다음으로, 가스 펌프(320)를 작동시켜 반응기(100) 내부에 펌핑 압력을 인가할 수 있다. 일 구현예로서, 히터(110)는 반응기(100)의 하부에 배치되며, 고체 형태의 반응 물질(M)은 히터(110)로부터 열을 인가받을 수 있다. 이에 따라 반응기(100)의 하부에서 감지되는 반응 가스(G1)의 농도가 반응기(100)의 상부에서 감지되는 반응 가스(G1)의 농도 보다 높을 수 있다. 이 경우, 가스 배출부(130)를 통해 배출되는 반응 가스(G1)의 농도가 일정하지 않을 수 있다. 일 구현예에 따른 가스 펌프(320)는 반응기(100)의 상부 영역에 펌핑 압력을 인가하여 반응 가스(G1)를 순환시킬 수 있다. 이에 따라, 반응 가스(G1)가 순환하는 상부 영역에서, 반응 가스(G1)의 농도는 상대적으로 일정하게 조절될 수 있다.
다음으로, 반응 가스(G1)의 농도를 측정할 수 있다. 일 구현예로서, 농도 측정부(600)는 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도를 측정할 수 있다. 여기서 농도 측정부(600)에 의해 측정되는 대상은 반응 물질(M)로부터 기화하여 생성된 반응 가스(G1)의 농도이다. 반응 가스(G1)의 농도가 목표 농도와 실질적으로 동일하게 유지되는 경우, 농도 측정부(600)는 제어부(500)에 반응 가스(G1)의 농도 정보를 전달할 수 있다. 이때, 제어부(500)는 가스 펌프(320)의 펌핑 압력을 일정하게 유지하도록 가스 펌프(320)에 제어 신호를 송신할 수 있다. 또한, 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)는 공정부(20)로 전달될 수 있다.
다음으로, 반응 가스(G1)의 농도 변화에 따라 펌핑 압력을 조절할 수 있다. 일 구현예로서, 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)의 농도가 목표 농도와 상이하게 변화하는 경우, 농도 측정부(600)는 제어부(500)에 반응 가스(G1)의 농도 정보를 전달할 수 있다. 이때, 제어부(500)는 가스 펌프(320)의 펌핑 압력을 일정하게 유지하도록 가스 펌프(320)에 제어 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 반응 가스(G1)의 농도가 일정하지 않은 경우, 제어부(500)는 가스 펌프(320)의 펌핑 압력이 증가되도록 가스 펌프(320)를 제어할 수 있다.
다음으로, 공정 가스(G3)를 공급할 수 있다. 일 구현예로서, 반응기(100)로부터 배출되는 반응 가스(G1)와 혼합되는 공정 가스(G3)를 추가적으로 공급할 수 있다. 일 구현예에 따른 공정 가스(G3)는 반응 가스(G1)와 화학 반응을 하지 않는 불활성 기체 또는 공정부(20)에서 사용될 수 있는 임의의 다른 공정 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스(G2)는 질소, 산소, 공기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 공정 가스 공급부(400)에는 공정 가스(G3)의 공급을 차단 및 해제하는 제2 개폐 밸브(720)가 배치될 수 있다, 공정 가스(G3)의 필요 여부에 따라 제어부(500)는 제2 개폐 밸브(720)의 개폐 여부를 제어할 수 있다.
다음으로, 반응 가스(G1)를 공정부(20)에 전달할 수 있다. 일 구현예로서, 일정한 농도를 구비하는 반응 가스(G1)는 공정부(20)로 전달될 수 있다. 이에 다라 공정부(20)는 반응 가스(G1)를 이용하여 소정의 공정을 수행할 수 있다.
상기 분석수단(60)의 예로는 IR 분석기, 광분향 분광기 등을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따른 공기정화 시스템은 23℃, 45±5% 상대습도(RH)에서 하기 식 3에 따른 가스성 포름알데히드, 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔의 제거 효율(removal efficiency)이 80% 이상일 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 평가예 4에 의해 확인할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: Cu 2 O/TiO 2 광촉매
아래와 같이 함침법(impregnation)을 이용하여 Cu2O//TiO2 광촉매를 합성하였다.
먼저, TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 100 중량부를 기준으로 하여 CuCl2를 0.5 중량부로 혼합한 후 90 ℃에서 1시간 동안 중탕처리하여 CuO/TiO2 함유 용액을 얻었다.
상기 CuO/TiO2 함유 용액에 글루코스 및 NaOH를 1: 4: 4의 몰비(몰%)로 넣은 후, 90 ℃에서 1시간 동안 중탕처리하여 Cu2O/TiO2 함유 용액을 얻었다.
상기 Cu2O/TiO2 함유 용액을 110 ℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후, 건조된 결과물을 막자사발로 그라인딩하여 Cu2O/TiO2 광촉매를 제조하였다.
실시예 2 내지 실시예 7: Cu 2 O/TiO 2 광촉매
TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 100 중량부에 대하여 CuCl2를 각각 1, 2, 3, 4, 5, 10 중량부로 혼합하여 Cu2O/TiO2 촉매를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu2O//TiO2 광촉매를 각각 제조하였다.
비교예 1: TiO 2 광촉매
TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 광촉매를 준비하였다.
비교예 2: CuO//TiO 2 광촉매
TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 100 중량부를 기준으로 하여 CuCl2를 0.5 중량부로 혼합한 후 90 ℃에서 1시간 동안 중탕처리하여 CuO/TiO2 함유 용액을 얻었다.
상기 CuO/TiO2 함유 용액을 110 ℃ 오븐에서 밤새 건조시킨 후, 건조된 결과물을 막자사발로 그라인딩하여 CuO/TiO2 광촉매를 제조하였다.
비교예 3: CuO//TiO 2 광촉매
TiO2 (ST-01, ISHIHARA SANGYO KAISHA, LTD.) 대신 TiO2 (P25 (PlasmaChem GmbH) 100 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Cu2O//TiO2 광촉매를 각각 제조하였다.
분석예 1: XPS 분석
실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 구리의 산화수 확인을 위하여 XPS 실험을 하였다. XPS 실험은 Quantum 2000 (Physical Electronics. Inc.)를 이용하였다. XPS 분석 결과는 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매는 약 933 eV 결합에너지에서 Cu2p 피크를 나타내는 산화수가 +1인 Cu2O 피크와 동일함을 확인할 수 있다.
분석예 2: 발광 스펙트럼 및 UV-Visible 스펙트럼(쿠벨카-뭉크-함수) 분석
실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 발광스펙트럼과, 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 및 TiO2 광촉매의 분말을 홀더에 압착고정하여 UV-visible 스펙트럼을 측정하였다. 발광스펙트럼 및 UV-visible 스펙트럼은 FluoroMax (HORIBA Inc. 제조) 및 UV-2600i (SHIMADZU Inc. 제조)로 기록하였다. 발광스펙트럼 분석 결과는 도 3에 나타내었다. UV-visible 스펙트럼 분석을 통해 얻은 파장별 흡광도를 쿠벨카-뭉크 방정식(Kubelka-Munk equation)에 대입하여 도 4에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 발광 강도가 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 TiO2, CuO/TiO2 광촉매와 비교할 때 가장 낮았다. 이것은 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매가 빛에 의해 발생된 전자의 흡수율이 향상되어 흡수된 전자와 정공의 재결합이 감소된 것으로 이해된다.
도 4를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매와 비교할 때 전 파장영역에서 모두 높았다. 이 중에서, 실시예 4에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 가장 높았다.
또한 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치와 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 구체적인 비교는 각 실시예 및 비교예의 각 파장별 범위의 흡광도 수치를 모두 합산하고 이의 평균값으로 비교하였다.
200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치와 비교할 때, 약 40% 이상 높았다. 200 nm 내지 400 nm의 자외선 파장영역에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치와 비교할 때, 약 30% 이상 높았다.
구체적으로, 대표적인 자외선 UVC의 254 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 47.519 a.u.이고, 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 36.802 a.u.이었다.
즉, 자외선 UVC의 254 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 대비 약 30% 이상 높았다.
대표적인 자외선 UVB의 320 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 33.33 a.u.이고, 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 21.336 a.u.이었다.
즉, 자외선 UVB의 320 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 대비 약 56% 높았다.
대표적인 자외선 UVA의 365 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 4.993 a.u.이고, 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 1.364 a.u.이었다.
즉, 자외선 UVA의 365 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 대비 약 360% 높았다.
대표적인 가시광선 420 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 1.775 a.u.이고, 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 수치의 실측값은 0.021 a.u.이었다.
즉, 가시광선 420 nm 파장에서 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 흡광도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매의 흡광도 대비 약 8500% 높았다.
분석예 3: 담체의 비표면적 분석
실시예 1 및 비교예 3에 의해 제조된 ST-01 및 P25 각각에 담지된 Cu2O/TiO2 촉매의 비표면적을 계산하기 위하여 진공 하에 150 ℃에서 24시간 동안 디가싱한 후 질소흡착실험을 수행하였다. 질소흡착실험에서 각 실시예 및 비교예의 촉매 분말에 질소를 흡착 및 탈착시키고, 흡착 및 탈착되는 질소양의 차이를 통해 상기 각 촉매의 비표면적을 계산하였다. 질소흡착장치로는 BEL사의 BELSORP-max를 이용하였다. 질소흡착실험에서 얻어진 질소 흡탈착 등온선(N2 adsorption-desorption isotherm)으로부터 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법을 이용하여 0 내지 1.0의 상대적 질소압(P/P 0 ) 범위 내에서 비표면적을 계산하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 TiO2(ST-01)에 구리를 담지한 촉매(Cu2O/ST-01)의 표면적은 약 230 m2g-1이며, TiO2(P25)에 구리를 담지한 촉매(Cu2O/P25)의 표면적은 약 33 m2g-1으로 7배의 비표면적 차이를 보였다. 촉매는 주로 표면에서 반응이 일어나기 때문에 촉매의 비표면적이 넓을수록 반응 면적 또한 증가할 것으로 여겨진다.
평가예 1: 광전류 밀도 및 전하 캐리어 밀도 평가
실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 광전류 밀도 및 전하 캐리어 밀도를 평가하였다. 그 결과를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다.
각 실시예 및 비교예의 광촉매를 0.1 M 인산염 완충용액에 침지하고 365 nm 파장의 LED 램프를 50 mW/cm2 강도로 0.5 V vs. Ag/AgCl 전위에서 20초~30초 사이, 60초~70초 사이, 및 100초~110초 사이에 조사하여 자외선 조사전후의 광전류 밀도를 측정하였다.
도 6을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 광전류 밀도는 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 TiO2, CuO/TiO2 광촉매와 비교하여 높았다.
이 중에서, 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 100초~110초 사이에 평균 광전류 밀도는 각각 25.29 ㎂/cm2, 8.32 ㎂/cm2, 13.03 ㎂/cm2이었다. 즉, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 100초~110초 사이에 평균 광전류 밀도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매와 비교하여 약 300% 높았다.
또한 각 실시예 및 비교예의 광촉매를 0.1 M 인산염 완충용액에 침지하고 -0.5 V 내지 2.0 V (vs. Ag/AgCl) 범위의 전위로 인가할 때 전하 캐리어 밀도를 하기 식 1을 이용하여 구하였다.
[식 1]
식 중에서, ND는 전하 캐리어 밀도(cm-3)이고, Csc는 공간(space) 전하 용량(F cm-2)이고, e는 기본 전하(1.602 x 10-19C)이고, ε는 전극재의 비유전상수(아나타제 TiO2로서 48)이고, ε 0 는 진공 유전율(8.85 × 10-12 N-1 C2 m-2)이고, E s 는 인가된 전위(V)이고, E FB 는 평활 전위(flat band potential, V)이고, k는 볼츠만 상수(1.38 × 10-23 J K-1)이고, T는 절대온도(K)이다.
도 7을 참조하면, 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 전하 캐리어 밀도는 각각 3.06 x 1020/cm3, 1.73 x 1020/cm3, 및 2.81 x 1020/cm3이었다. 즉, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 전하 캐리어 밀도는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매와 비교하여 약 80% 높았다.
평가예 2: 임피던스 평가
실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 임피던스를 potentiostat (WonATech. Inc 제조)을 사용하여 2-프로브(probe)법에 따라 측정하였다. 주파수 범위는 0.1 MHz ~ 0.1 Hz이었다. 상기 임피던스 측정에서 얻어진 나이퀴스트 플롯(Niquist plot)을 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 임피던스는 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 TiO2, CuO/TiO2 광촉매와 비교하여 임피던스가 작은 것으로 나타났다.
평가예 3: 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs) 분해 효율 평가
실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 의해 제조된 Cu2O/TiO2, TiO2, CuO/TiO2 광촉매의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs) 분해 효율을 평가하였다. 그 결과를 도 16에 나타내었다.
가스성 휘발성 유기화합물(VOCs) 분해 효율 평가는 아래의 방법으로 수행하였다.
도 15에서 보이는 바와 같이, 반응기 내의 2 x 2 cm2 크기의 홀더에 광촉매 분말(520)을 압착고정한 다음, 1 L/min 속도로 N2 80%, O2 20% 조성의 공기를 가스 유입구(510)를 통해 연속적으로 주입함과 동시에 20 ppm의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)을 연속적으로 주입하였다. 그리고나서, 반응기 위를 quartz로 덮어 실링한 후, 그 위에 UV-LED 램프(530)로 빛을 조사하여 플로우(flow) 시스템에서 CO2로의 전환 농도를 측정하여 하기 식 2에 따라 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 효율을 평가하였다.
[식 2]
분해효율(%) = {(CO2로의 전환 농도)/(초기 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도) x 100}
도 15를 참조하면, 23℃, 0% 상대습도(RH) 및 23℃, 50% 상대습도(RH)의 환경 하에서 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 효율은 각각 88% 및 93%이었다. 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 효율은 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 TiO2 및 CuO/TiO2 광촉매의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 효율과 비교하여 23℃, 0% 상대습도(RH) 및 23℃, 50% 상대습도(RH)의 환경 하에서 각각 8~13% 및 9~15% 높았다.
이로부터, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매는 비교예 1 및 비교예 2에 의해 제조된 TiO2 및 CuO/TiO2 광촉매와 비교하여 수분에 관계없이 모든 환경 하에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 효율이 우수함을 확인할 수 있다.
평가예 4: 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거 효율 및 제거 반응 속도 평가
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 및 TiO2 광촉매의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거 효율(%) 및 제거 반응 속도(g-1min-1 또는 min-1)를 평가하였다. 그 결과를 표 1 및 표 2에 각각 나타내었다.
가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거 효율 및 제거 반응 속도 평가는 아래의 방법으로 수행하였다.
각 실시예 및 비교예의 광촉매를 증류수에 분산한 광촉매 함유 수용액(고형분 약 10% 함량)을 얻었다. 이와 별도로, 7 cm x 3.5 cm x 1 cm 크기의 허니컴 구조의 다공성 코디어라이트(cordierite) 지지체(셀 크기: 약 100 cpsi)를 준비하였다. 상기 광촉매 함유 수용액에 상기 다공성 코디어라이트 지지체를 디핑(dipping)한 후 건조하여 도 9에서 보이는 바와 같이 광촉매 입자 또는 클러스터가 코팅된 다공성 코디어라이트 지지체로 구성된 촉매 필터를 제작하였다. 이후, 도 10a에서와 같이, 촉매 필터(11), UVA LED 램프(파장: 360~365 nm)(12), 및 순환 팬(13)으로 구성된 촉매 모듈(10)을 제작하였다. 가스 유입구와 가스 배출구가 설치된 부피 100 L 챔버를 준비하고 내부에 상기 촉매 모듈(10)을 도 10b과 같이 장착하였다. UVA LED 램프(파장: 360~365 nm)(12) 및 순환 팬(13)을 각각 전원과 연결하였다. 상기 챔버는 질량 흐름 제어기(MFC)를 이용하여 23℃, 45±5% 상대습도(RH)의 환경을 유지한 상태에서, 상기 가스 유입구에 가스성 포름알데히드, 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔의 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)을 10 ppm 농도 및 10 L/min 속도로 순차로 주입하여 이들 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs) 각각의 초기 농도를 측정하고 30분 경과 후에 광촉매 반응을 통해 제거된 각각의 가스의 농도를 측정하였다. 측정한 농도를 하기 식 3에 대입하여 상기 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거효율을 계산하였고, 이들 제거효율의 평균값을 제거효율로 평가하였다.
[식 3]
제거효율(%) = [{1-(가스 배출구에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도)/(가스 유입구에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도)} x 100]
또한 상기 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)이 상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 광촉매에 의해 광촉매 g당 VOCs 제거 속도를 측정하여 제거 반응 속도(g-1min-1)로 하였다.
참고예 1은 챔버에 촉매 모듈(10)을 장착하지 않은 것이다. 참고예 1에 대해서는 상술한 방법과 동일한 방법으로 측정 및 평가하되, 초기 VOCs 감소 속도를 측정하여 제거 반응 속도(min-1)로 하였다.
구분 가스성 포름
알데히드
제거율(%)		 가스성
암모니아
제거율(%)		 가스성
아세트
알데히드
제거율(%)		 가스성
아세트산
제거율(%)		 가스성
톨루엔
제거율(%)		 가스성
VOCs
평균
제거율(%)
참고예 1 64 9 43 78 63 51.4
비교예 1 89 64 59 89 49 70
실시예 1 81 93 83 93 62 82.4
구분 가스성 포름
알데히드
제거속도
(g-1min-1)		 가스성 암모니아
제거속도
(g-1min-1)		 가스성 아세트
알데히드
제거속도
(g-1min-1)		 가스성 아세트산
제거속도
(g-1min-1)		 가스성 톨루엔
제거속도
(g-1min-1)
참고예 1(min-1) 0.0386 0.0033 0.0213 0.1217 0.0835
비교예 1 0.0797 0.0425 0.225 0.0836 0.0298
실시예 1 0.1438 0.1671 0.0612 0.1986 0.0706
표 1을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 평균 제거 효율(%)은 82.4%이었다. 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 평균 제거 효율(%)은 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매 및 참고예 1의 광촉매를 포함하지 않아 자연 감소(natural reduction)의 경우와 비교하여 각각 12.4%, 31% 높았다.
표 2를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 Cu2O/TiO2 광촉매의 5종의 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 제거 반응 속도(g-1min-1)는 비교예 1에 의해 제조된 TiO2 광촉매 및 참고예 1의 광촉매를 포함하지 않아 자연 감소(natural reduction)의 경우와 비교하여 높았다.
1, 510: 가스 유입구, 2, 540: 가스 배출구, 3: 순환 팬,
4: 다공성 세라믹 지지체, 5: 광촉매의 입자 또는 입자 응집체,
6: 촉매 필터, 10: 촉매 모듈, 11: 다공성 세라믹 지지체 표면에 광촉매의 입자 또는 입자 응집체가 코팅된 촉매 필터,
12: 광 방출부, 15: 챔버, 20: 공정부, 40: 공급 수단,
50: 공기 정화 수단(촉매 모듈), 60: 분석 수단, 41: 가스 공급부,
100, 300: 반응기, 110: 히터, 130: 가스 배출부,
200: 캐리어 가스 공급부, 210: 캐리어 가스 유입부
310: 펌핑 가스 유입부, 320: 가스 펌프,
340: 펌핑 가스 배출부 400: 공정 가스 공급부,
500: 제어부, 520: 광촉매 분말, 530: UV-LED 램프,
600: 농도 측정부, 710: 제1 개폐 밸브, 720: 제2 개폐 밸브, 730: 제3 개폐 밸브, A1: 반응 가스의 농도 비균일 영역,
H1, H2: 제1 높이, 제2 높이, M: 반응 물질(고체),
G1, G2, G3: 반응 가스(기체)

Claims (28)

  1. 표면에 제1 금속 산화물이 배치된 제2 금속 산화물의 구조체를 포함하고,
    200 nm 내지 600 nm의 자외선 및 가시광 파장영역에서 흡광도가 TiO2 대비 5% 내지 50% 높은 것인, 광촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    200 nm 내지 400 nm의 자외선 파장영역 중 임의의 파장에서 흡광도가 TiO2 대비 30% 내지 400% 높은 것인, 광촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물의 제1 금속의 산화수가 +1인, 광촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물은 구리, 백금, 금, 은, 아연, 망간, 및 이들 합금 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함하는, 광촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물은 Cu2O, Pt2O, Au2O, Ag2O, Zn2O, 및 Mn2O 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함하는, 광촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물의 함량이 상기 제2 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 내지 10 중량부인, 광촉매.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물은 티타늄 아연, 지르코늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 이들 합금 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함하는, 광촉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물은 TiO2, ZnO, ZrO2, Ta2O5, 및 WO3 중에서 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금 산화물을 포함하는, 광촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물 또는 제2 금속 산화물은 독립적으로 입자, 와이어, 클러스터, 결정, 또는 이들 조합의 형태인, 광촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물은 나노 크기의 1차 입자이고, 제2 금속 산화물은 마이크로 크기의 1차 입자 또는 2차 입자인, 광촉매.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 금속 산화물의 1차 입자 또는 2차 입자의 비표면적이 100 m2/g 내지 500 m2/g인, 광촉매.
  12. 제1항에 있어서,
    360 nm 내지 365 nm 파장의 자외선 조사 하에 0.5 V vs. Ag/AgCl 전위에서 100 초 내지 110 초 사이의 평균 광전류 밀도가 20 ㎂/cm2 내지 50 ㎂/cm2인, 광촉매.
  13. 제1항에 있어서,
    0.1 M 인산염 완충용액에 침지하고 - 0.5 V 내지 2.0 V (vs. Ag/AgCl) 범위의 전위로 인가할 때 하기 식 1에 따른 전하 캐리어 밀도가 3.0 x 1020 /cm3 내지 4.0 x 1020 /cm3인, 광촉매:
    [식 1]

    식 중에서, ND는 전하 캐리어 밀도(cm-3)이고,
    Csc는 공간(space) 전하 용량(F cm-2)이고,
    e는 기본 전하이고,
    ε는 전극재의 비유전상수이고,
    ε 0 는 진공 유전율이고,
    E s 는 인가된 전위(V)이고,
    E FB 는 평활 전위(flat band potential, V)이고,
    k는 볼츠만 상수(1.38 × 10-23 J K-1)이고,
    T는 절대온도(K)이다.
  14. 제1항에 있어서,
    가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해 및 제거를 위해 사용되는, 광촉매.
  15. 제1항에 있어서,
    23℃, 0% 상대습도(RH)에서 하기 식 2에 따른 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율(decomposition efficiency)이 85% 이상이고,
    23℃, 50% 상대습도(RH)에서 하기 식 2에 따른 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 분해효율(decomposition efficiency)이 90% 이상인 광촉매:
    [식 2]
    분해효율(%) = {(CO2로의 전환 농도)/(초기 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도) x 100}
  16. 다공성 세라믹 지지체; 및
    상기 지지체 표면에 배치된 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광촉매;를 포함하는, 촉매 필터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹 지지체는 허니컴 구조인, 촉매 필터.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹 지지체는 단층 또는 복수의 적층체인, 촉매 필터.
  19. 제16항에 따른 촉매 필터; 및
    상기 촉매 필터에 촉매 활성화를 위한 에너지를 공급하도록 배치된 에너지 공급원;을 포함하는, 촉매 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 공급원은 광 에너지 공급원, 전기 에너지 공급원, 이온 에너지 공급원, 및 열 에너지 공급원 중 적어도 하나를 포함하는, 촉매 모듈.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 공급원은 UV-LED를 포함하는, 촉매 모듈.
  22. 제19항에 있어서,
    순환 팬을 더 포함하는, 촉매 모듈.
  23. 휘발성 유기화합물(VOCs)을 포함한 공기를 공급하는 공급수단; 및
    상기 공급수단으로부터 공급된 공기 중에서 휘발성 유기화합물(VOCs)을 분해 및 제거하고, 상기 휘발성 유기화합물(VOCs)이 분해 및 제거된 공기를 배출하는 제19항에 따른 촉매 모듈이 장착된 공기정화수단;을 포함하는, 공기정화 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 공기정화수단에 존재하는 휘발성 유기화합물(VOCs)의 종류 및 농도를 측정하는 분석수단;을 더 포함하는, 공기정화 시스템.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 공기정화수단은,
    일 측면과 상기 일 측면에 평행한 다른 일 측면에 가스 유입구와 가스 배출구를 설치한 본체; 및
    상기 본체의 내부에 장착한 촉매 모듈;을 포함하는, 공기정화 시스템.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 공급수단은
    가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)을 직접 공급하는 제1 공급수단; 및
    캐리어 가스 및 공정 가스를 혼합하고 기화하여 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)을 공급하는 제2 공급수단;을 포함하는, 공기정화 시스템.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 휘발성 유기화합물(VOCs)은 가스성 포름알데히드, 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔을 포함하는, 공기정화 시스템.
  28. 제23항에 있어서,
    23℃, 45±5% 상대습도(RH)에서 하기 식 3에 따른 가스성 포름알데히드, 가스성 암모니아, 가스성 아세트알데히드, 가스성 아세트산, 및 가스성 톨루엔의 제거 효율(removal efficiency)이 80% 이상인, 공기정화 시스템.
    [식 3]
    제거효율(%) = [{1-(가스 배출구에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도)/(가스 유입구에서 가스성 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도)} x 100]
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