WO2022085886A1 - 이산화티타늄 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

이산화티타늄 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2022085886A1
WO2022085886A1 PCT/KR2021/006212 KR2021006212W WO2022085886A1 WO 2022085886 A1 WO2022085886 A1 WO 2022085886A1 KR 2021006212 W KR2021006212 W KR 2021006212W WO 2022085886 A1 WO2022085886 A1 WO 2022085886A1
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titanium dioxide
dioxide composite
reduced
metal oxide
composite
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PCT/KR2021/006212
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이효영
나시영
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성균관대학교산학협력단
기초과학연구원
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the present application relates to a titanium dioxide composite, a method for preparing the same, and a photocatalyst comprising the same.
  • Indoor air contains small amounts of pollutants including volatile organic compounds such as carbon monoxide, ozone, formaldehyde, toluene, propanal, butane and acetaldehyde.
  • volatile organic compounds such as carbon monoxide, ozone, formaldehyde, toluene, propanal, butane and acetaldehyde.
  • Adsorbent air filters such as activated carbon have been used to remove these contaminants from the air. As air flows through the filter, the filter blocks the passage of contaminants, allowing contaminant-free air to flow out of the filter.
  • a disadvantage of using a filter is that the filter only serves to block the passage of contaminants and does not dissipate the contaminants themselves.
  • Titanium dioxide has been used as a photocatalyst in air purifiers to dissipate pollutants.
  • photons are absorbed by the titanium dioxide and propagate electrons from the valence band to the conduction band, creating holes in the valence band and adding electrons to the conduction band. make it The advanced electrons react with oxygen, and holes existing in the valence band react with water to form reactive hydroxyl radicals.
  • titanium dioxide when used as a photocatalyst is that it absorbs only ultraviolet rays of 380 nm or less, so that the effect as a photocatalyst is insignificant in an indoor space where the amount of ultraviolet rays is small.
  • the decomposition efficiency of pollutants is lower than that of zeolite-based photocatalysts and other photocatalysts, and it is disadvantageous in separation and transmission of electrons generated by light due to the low electrical conduction ratio.
  • blue titanium dioxide having a low energy band gap was developed by reducing titanium dioxide, and a titanium dioxide composite having a stronger photocatalytic effect was prepared by combining blue titanium dioxide and metal oxide.
  • Korean Patent Registration No. 10-1907124 is a patent related to a reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) photocatalyst obtained by selectively reducing any one of an anatase phase and a rutile phase of titanium dioxide including an anatase phase and a rutile phase.
  • the patent describes only a method for producing blue titanium dioxide by reducing titanium dioxide, and does not describe an additional configuration for improving the reactivity of the blue titanium dioxide.
  • An object of the present application is to provide a titanium dioxide composite in which reduced titanium dioxide and a metal oxide are chemically combined to solve the problems of the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing the titanium dioxide composite.
  • Another object of the present invention is to provide a photocatalyst including the titanium dioxide composite.
  • a first aspect of the present application includes reduced titanium dioxide comprising an anatase phase and a rutile phase, wherein any one of the anatase phase and the rutile phase is selectively reduced; And it provides a titanium dioxide composite comprising a metal oxide combined with the reduced titanium dioxide.
  • the combination of the reduced titanium dioxide and the metal oxide may include a chemical bond or a physical bond, but is not limited thereto.
  • the combination of the reduced titanium dioxide and the metal oxide may include a chemical bond, but is not limited thereto.
  • the metal oxide is W, Mo, Cr, Re, Ir, Ta, Hf, Fe, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Sn, V, Bi, Sr, Ti, Ca, Nb, K, Na, Li, and may include an oxide of a metal selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the second aspect of the present application comprises the steps of mixing titanium dioxide including an anatase phase and a rutile phase with a reducing agent to selectively reduce any one of the anatase phase and the rutile phase to form reduced titanium dioxide; dispersing the reduced titanium dioxide and the metal oxide precursor in a solvent and then performing stirring to form a titanium dioxide complex; And it provides a method for producing a titanium dioxide composite comprising the step of drying the titanium dioxide composite.
  • the drying of the titanium dioxide composite includes: filtering the solvent in which the reduced titanium dioxide and the metal oxide precursor are dispersed and then drying to obtain the titanium dioxide composite; and washing the titanium dioxide complex in deionized water and then drying it in a vacuum oven at room temperature, but is not limited thereto.
  • the solvent may include an alcohol-based solvent, but is not limited thereto.
  • the alcohol-based solvent may include one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propylol, isopropylol, butanol, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the reducing agent may include an alkali metal and amines, but is not limited thereto.
  • the alkali metal may include a metal selected from the group consisting of Li, Na, K, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the amines are ethylenediamine, propylenediamine, methylenediamine, ethylamine, 1,2-dimethoxyethane, hexamethyleneimine, diisopropylamide, diethanolamine, oliethyleneamine, and their a liquid ammonium-based material selected from the group consisting of combinations, ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, diaminohydroxypropanetetraacetic acid, and combinations thereof, or terra Hydrofuran, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphoramide, diethylamine, triethylamine, diethylenetriamine, toluenediamine, m-phenylenediamine, diphenylmethanediamine, hexamethylenediamine, triethylenetetraamine, It may include liquid amines capable of forming solvated electrons selected from the group consisting of tetraethylenepentaamine, he
  • the reduction may include, but is not limited to, being carried out in a closed and anhydrous state.
  • the reduction may include being carried out at room temperature, but is not limited thereto.
  • a third aspect of the present application provides a photocatalyst comprising the titanium dioxide composite according to the first aspect.
  • the titanium dioxide composite according to the present application in which reduced titanium dioxide and metal oxide are chemically combined, has a narrower band gap than conventional reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ), so it is easier to generate hydroxyl radicals, so that strong activity have
  • the titanium dioxide composite according to the present disclosure may have catalytic activity activated by visible light and/or infrared light.
  • the titanium dioxide composite according to the present application can reduce the material repeatedly over a long period of time.
  • the titanium dioxide composite according to the present application is fine dust, nitrogen oxides (NO x ) and/or cigarette smoke contained in automobile exhaust gas, livestock excreta odor, acetaldehyde, formaldehyde, methylmercaptan, methylene blue, acetic acid, It can remove organic contaminants such as organic solvents, paints and thinners, adhesives, dry cleaning fluids, wood preservatives, cleaners and disinfectants, moth repellents, building materials and fixtures, and pesticides.
  • NO x nitrogen oxides
  • cigarette smoke contained in automobile exhaust gas
  • livestock excreta odor acetaldehyde
  • formaldehyde formaldehyde
  • methylmercaptan methylmercaptan
  • methylene blue methylene blue
  • acetic acid acetic acid
  • titanium dioxide composite according to the present application may be attached to the air purifier filter to remove pollutants in the air, and may remove various molds, bacteria, and bacteria.
  • the weight ratio of titanium dioxide and metal oxide reduced by chemical bonding is 1: 0.25, 1: 0.5, or 1:1, etc., by binding the reduced titanium dioxide and metal oxide. Compared to the physical bond in which the weight ratio is 1:3, less reduced titanium dioxide is required in the process of manufacturing the titanium dioxide composite, thereby reducing the manufacturing cost.
  • titanium dioxide composite according to the present application can be sprayed in a reservoir, downstream of a river, etc. to prevent algal blooms.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 -metal oxide) combined with a process for making reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) and a metal oxide, according to an embodiment of the present application.
  • Figure 2 is a flow chart showing the process of forming a titanium dioxide composite, according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 3 is a graph showing the gas removal efficiencies of various photocatalysts according to Examples and Comparative Examples of the present application.
  • 5 is a SEM image of several titanium dioxide composites prepared by varying the bonding ratio of reduced titanium dioxide and metal oxide according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a W4f XPS spectrum of a titanium dioxide composite and tungsten oxide according to an embodiment and a comparative example of the present application.
  • the first aspect of the present application includes reduced titanium dioxide comprising an anatase phase and a rutile phase, any one of the anatase phase and the rutile phase is selectively reduced; And it provides a titanium dioxide composite comprising a metal oxide combined with the reduced titanium dioxide.
  • Titanium dioxide existing in nature may largely include two phases of an anatase phase and/or a rutile phase, and physical properties may be changed by various causes, such as a ratio of the two phases.
  • the band gap of the titanium dioxide is about 3.1 eV.
  • titanium dioxide including the rutile phase and the anatase phase, in which neither of the anatase phase and the rutile phase has been reduced may be expressed as P25.
  • the rutile phase according to the present application is also known as rutile, and most titanium dioxide in nature has a rutile phase.
  • the rutile phase has superior weather resistance, hiding power, white luminance, and dielectric constant compared to the anatase phase.
  • the anatase phase according to the present application has excellent photocatalytic activity for decomposing contaminants present in water or air, and when the titanium dioxide of the anatase phase is coated on another material, abrasion resistance can be improved.
  • titanium dioxide When light is irradiated to titanium dioxide including the rutile phase and/or the anatase phase, it can be used as a photocatalyst, organic material removal, solar cells, and the like.
  • the prior art known by the inventor of the present invention discloses reduced titanium dioxide in which only at least one phase of the rutile phase and/or anatase phase of the titanium dioxide is reduced, but in the present application, the reduced titanium dioxide is converted into a metal oxide A titanium dioxide composite having a stronger activity was prepared by combining with .
  • the combination of the reduced titanium dioxide and the metal oxide may include a chemical bond or a physical bond, but is not limited thereto.
  • the combination of the reduced titanium dioxide and the metal oxide may include a chemical bond, but is not limited thereto.
  • Chemical bonding and physical bonding have a difference in manufacturing method and combination ratio, and when chemically bonded, they are effective in visible light, and in this application, photocatalytic performance in visible light is strengthened through chemical bonding.
  • the weight ratio of the reduced titanium dioxide and the metal oxide is 1: 0.25, 1: 0.5 or 1:1, etc., but the reduced titanium dioxide and the metal oxide are
  • the titanium dioxide composite that is not chemically bonded has a weight ratio of reduced titanium dioxide and metal oxide of 1: 3, and manufacturing a titanium dioxide composite through chemical bonding has an effect of reducing costs because the amount of reduced titanium dioxide is small. .
  • the reduced titanium dioxide and the metal oxide are chemically bonded, in the XRD spectrum analysis of the titanium dioxide composite, it has only one peak in the diffraction angle region representing the metal oxide region. Therefore, in the XRD spectrum analysis, when there are two or more peaks, the reduced titanium dioxide and the metal oxide do not form a chemical bond.
  • the metal oxide is W, Mo, Cr, Re, Ir, Ta, Hf, Fe, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Sn, V, Bi, Sr, Ti, Ca, Nb, K, Na, Li, and may include an oxide of a metal selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the second aspect of the present application comprises the steps of mixing titanium dioxide including an anatase phase and a rutile phase with a reducing agent to selectively reduce any one of the anatase phase and the rutile phase to form reduced titanium dioxide; dispersing the reduced titanium dioxide and the metal oxide precursor in a solvent and then performing stirring to form a titanium dioxide complex; And it provides a method for producing a titanium dioxide composite comprising the step of drying the titanium dioxide composite.
  • titanium dioxide including an anatase phase and a rutile phase is mixed with a reducing agent to selectively reduce any one of the anatase phase and the rutile phase to form reduced titanium dioxide (S100).
  • Figure 1 (A) is a schematic diagram showing the formation of reduced titanium dioxide
  • Figure 1 (B) is a schematic diagram showing that the reduced titanium dioxide and a metal oxide are chemically combined.
  • titanium dioxide (P25) including an anatase phase and a rutile phase is mixed with a reducing agent (Li-EDA), and the titanium dioxide including the anatase phase and the rutile phase is reduced to give a blue color. It can be seen that a striking reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) is formed.
  • the reducing agent may include an alkali metal and amines, but is not limited thereto.
  • the alkali metal may include a metal selected from the group consisting of Li, Na, K, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the amines are ethylenediamine, propylenediamine, methylenediamine, ethylamine, 1,2-dimethoxyethane, hexamethyleneimine, diisopropylamide, diethanolamine, oliethyleneamine, and their a liquid ammonium-based material selected from the group consisting of combinations, ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, diaminohydroxypropanetetraacetic acid, and combinations thereof, or terra Hydrofuran, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphoramide, diethylamine, triethylamine, diethylenetriamine, toluenediamine, m-phenylenediamine, diphenylmethanediamine, hexamethylenediamine, triethylenetetraamine, It may include liquid amines capable of forming solvated electrons selected from the group consisting of tetraethylenepentaamine, he
  • the reduction may include, but is not limited to, being carried out in a closed and anhydrous state.
  • the reduction may be performed at room temperature, but is not limited thereto.
  • the reduced titanium dioxide and metal oxide precursor are dispersed in a solvent and stirred to form a titanium dioxide complex (S200).
  • the precursor of the metal oxide was dispersed in a solvent phase with the reduced titanium dioxide, followed by stirring.
  • a precursor of the metal oxide In order to chemically bond the metal oxide to the reduced titanium dioxide, a precursor of the metal oxide must be used, and the reduced according to the present application by dispersing and reacting the precursor of the metal oxide and the reduced titanium dioxide in a solvent phase It is possible to prepare a titanium dioxide composite in which titanium dioxide and a metal oxide are chemically bonded.
  • the solvent may include an alcohol-based solvent, but is not limited thereto.
  • the alcohol-based solvent may include one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propylol, isopropylol, butanol, and combinations thereof, preferably ethanol is used.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the drying of the titanium dioxide composite includes: filtering the solvent in which the reduced titanium dioxide and metal oxide precursor are dispersed and then drying to obtain the titanium dioxide composite; and washing the titanium dioxide complex in deionized water and then drying it in a vacuum oven at room temperature, but is not limited thereto.
  • the reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) and tungsten trioxide (WO 3 ) may be chemically bonded to form a titanium dioxide complex.
  • the titanium dioxide complex formed through the chemical bonding of the reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) and tungsten trioxide (WO 3 ) has a stronger activity than the conventional reduced titanium dioxide.
  • a third aspect of the present application provides a photocatalyst comprising the titanium dioxide composite according to the first aspect.
  • the reduced titanium dioxide photocatalyst bonded to the metal oxide has a stronger photocatalytic activity than the reduced titanium dioxide not bonded to the metal oxide.
  • a photocatalyst is a material that catalyzes a catalytic reaction when it receives light, that is, when it receives light, a strong oxidizing power such as ozone is generated. It is a decomposition principle.
  • Photocatalyst is a technology that decomposes chemical substances in water treatment or air and converts them into harmless, odorless, and sterilization. It is widely used not only in the environmental field but also in many fields.
  • a titanium dioxide (Blue TiO 2 ) photocatalyst in which only one of the anatase phase and the rutile phase was reduced was prepared according to a known procedure.
  • a dried titanium dioxide composite was obtained by filtering the solvent in which the reduced titanium dioxide and the precursor of the metal oxide were dispersed.
  • the titanium dioxide composite was rinsed several times with deionized water and dried in a vacuum oven at room temperature to obtain reduced titanium dioxide bound to a metal oxide.
  • the gas resolution of the titanium dioxide composite was tested by measuring the concentration of acetaldehyde gas in the presence of a visible light LED.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of an acetaldehyde gas decomposition experiment in the presence of visible light of various photocatalysts according to one embodiment and a comparative example of the present application.
  • the reduced titanium dioxide (Blue TiO 2 ) is referred to as BTO
  • the physical bond between material A and material B is indicated by A/B
  • the chemical bond between material A and material B is indicated by AB.
  • the titanium dioxide composite in which reduced titanium dioxide (BTO) and tungsten trioxide (WO 3 ) prepared according to an embodiment of the present application are chemically combined is represented by BTO-WO 3-x .
  • titanium dioxide composite photocatalyst (BTO-WO 3-x -0.25) in which reduced titanium dioxide (BTO) and tungsten trioxide oxide (WO 3 ) are chemically combined in a ratio of 1: 0.25 is 100% in 80 minutes. showed decomposition efficiency.
  • the photocatalyst showing the highest decomposition efficiency was a titanium dioxide composite photocatalyst (BTO-WO 3- ) in which reduced titanium dioxide (BTO) and tungsten trioxide oxide (WO 3 ) were combined in a ratio of 1: 0.25 x -0.25).
  • X-ray crystallography (XRD) spectra were measured.
  • the crystallinity of the titanium dioxide composite photocatalyst in which reduced titanium dioxide (BTO) and tungsten trioxide oxide (WO 3 ) are combined can be confirmed.
  • WO 3 has only one peak in the region of the diffraction angle of 20 to 30. Through this, it can be confirmed that the reduced titanium dioxide and tungsten trioxide are chemically bonded.
  • the particle size was less than 50 nm and had nanocrystals.
  • FIG. 6 is a W4f XPS spectrum of a titanium dioxide composite and tungsten oxide according to an embodiment and a comparative example of the present application.
  • the binding energy in WO 2 is 33.1 eV
  • the binding energy in WO 3 is 36.1 ev.
  • the W4f binding energy of the BTO-WO 3-x photocatalyst prepared according to the example of the present application is 35.323 eV, which is between the binding energy value in WO 2 and the binding energy value in WO 3 .

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Abstract

본원은 아나타제상 및 루타일상을 포함하며, 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나가 선택적으로 환원된 것인 환원된 이산화티타늄; 및 상기 환원된 이산화티타늄과 결합한 금속 산화물을 포함하는 이산화티타늄 복합체에 관한 것이다.

Description

이산화티타늄 복합체 및 이의 제조 방법
본원은 이산화티타늄 복합체, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 광촉매에 관한 것이다.
실내 공기는 일산화탄소, 오존, 포름알데히드, 톨루엔, 프로판알(propanal), 부탄 및 아세트알데히드와 같은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 소량의 오염물질이 존재한다.
공기로부터 이러한 오염물질을 제거하기 위해 활성 탄소와 같은 흡착성 공기 필터가 사용되어 왔다. 공기가 필터를 통해 유동할 때, 필터는 오염물의 통로를 차단하여, 오염물질이 없는 공기가 필터로부터 유동하게 한다.
그러나, 필터를 사용하는 것의 단점은 필터는 단순히 오염물질의 통로를 차단하는 역할만 할 뿐, 오염물질 자체를 소멸시키지는 않는다는 것이다.
이산화티타늄은 오염물질을 소멸시키기 위한 공기 청정기의 광촉매로서 사용되었다. 이산화티타늄이 자외선으로 조사되면, 광자는 이산화티타늄에 의해 흡수되어, 전자를 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 진행시켜, 가전자대에 홀(hole)을 생성하고 전도대에 전자를 추가시킨다. 진행된 전자는 산소와 반응하고, 가전자대에 존재하는 홀은 물과 반응하여, 반응성 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 형성한다.
오염물질이 이산화티타늄 촉매 상으로 흡착되면, 하이드록실 라디칼은 오염물질을 물, 이산화탄소 및 다른 물질로 산화시킨다.
그러나, 광촉매로 사용될 때의 이산화티타늄의 단점으로는, 380 nm이하의 자외선만을 흡수하기 때문에 자외선의 양이 적은 실내공간에서는 광촉매로서의 효과가 미미하다는 것이다.
또한, 제올라이트 계열 및 다른 광촉매보다 오염물질 분해 효율이 낮고, 낮은 전기 전도 비율로 인해 광에 의해 생성되는 전자의 분리와 전송에 불리하다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 본 발명에서는, 이산화티타늄을 환원시켜 에너지 밴드갭이 낮은 청색 이산화티타늄을 개발하였고, 청색 이산화티타늄과 금속산화물을 결합시켜 더욱 강력한 광촉매 효과를 가지는 이산화티타늄 복합체를 제조했다.
대한민국 등록특허 제10-1907124호 는 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄을 아나타제상 및 루타일상 중 어느 하나를 선택적으로 환원시킨 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2) 광촉매에 관한 특허이다. 본 발명과는 달리 상기 특허에서는 이산화티타늄을 환원시켜 청색 이산화티타늄을 제조하는 방법에 관해서만 설명하고 있고, 상기 청색 이산화티타늄의 반응성을 향상시키기 위한 추가 구성에 대해서는 설명하고 있지 않다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물을 화학적으로 결합시킨 이산화티타늄 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 이산화티타늄 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 이산화티타늄 복합체를 포함하는 광촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 아나타제상 및 루타일상을 포함하며, 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나가 선택적으로 환원된 것인 환원된 이산화티타늄; 및 상기 환원된 이산화티타늄과 결합한 금속 산화물을 포함하는, 이산화티타늄 복합체를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물의 결합은 화학적 결합 또는 물리적 결합인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원된 이산화티타늄과 상기 금속 산화물의 결합은 화학적 결합인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 W, Mo, Cr, Re, Ir, Ta, Hf, Fe, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Sn, V, Bi, Sr, Ti, Ca, Nb, K, Na, Li, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄을 환원제와 혼합하여 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나를 선택적으로 환원시켜 환원된 이산화티타늄을 형성하는 단계; 상기 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물 전구체를 용매 상에 분산시킨 후 교반을 수행하여 이산화티타늄 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계를 포함하는, 이산화티타늄 복합체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계는, 상기 환원된 이산화티타늄 및 상기 금속 산화물 전구체가 분산된 용매를 필터링한 후 건조하여 상기 이산화티타늄 복합체를 획득하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 복합체를 탈 이온수에 세척 후 진공오븐에서 상온으로 건조를 하는 단계를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 알코올계 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 프로필올, 이소프로필올, 부탄올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원제는 알칼리 금속 및 아민류를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민류는 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 메틸렌디아민, 에틸아민, 1,2-디메톡시에탄, 헥사메틸렌이민, 디이소프로필아미드, 디에탄올아민, 올리에틸렌아민및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 액체 암모늄계 물질, 에틸렌디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트 산, 디아미노하이드록시프로판테트라아세트산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것, 또는 테르라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 헥사메틸포스포러아마이드, 디에틸아민, 트리에틸아민, 디에틸렌트리아민, 톨루엔 디아민, m-페닐렌디아민, 디페닐메탄디아민, 헥사메틸렌디아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 헥사메틸렌테트라아민, 에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 용매화 전자(solvated electron) 형성이 가능한 액체 아민류를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원은 밀폐 및 무수의 상태에서 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원은 상온에서 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은 제 1 측면에 따른 상기 이산화티타늄 복합체를 포함하는, 광촉매를 제공한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적으로 결합한 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는, 종래의 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)보다 좁은 밴드 갭을 갖기 때문에, 하이드록실 라디칼의 발생이 더욱 쉬워져서 강력한 활성을 갖는다.
또한, 자외선에 의해 촉매능이 활성화되는 종래의 이산화티타늄 물질과 달리, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 가시광선 및/또는 적외선에 의해 촉매능이 활성화될 수 있다.
또한, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 장시간에 걸쳐 반복적으로 물질을 환원시킬 수 있다.
또한, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 미세먼지, 자동차 배기가스에 포함된 질소 산화물(NOx) 및/또는 담배연기, 가축분뇨냄새, 아세트알데하이드, 포름알데하이드, 메칠머캡탄, 메칠렌블루, 초산, 유기용제, 페인트와 신나, 접착제, 드라이 클리닝 유체, 목재 방부제, 세정제 및 소독제, 나방 기피제, 건축 자재 및 비품, 살충제 등의 유기 오염 물질을 제거할 수 있다.
또한, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 공기청정기 필터에 부착되어 대기 중 오염 물질을 제거할 수 있고, 각종 곰팡이균, 세균, 및 박테리아 등을 제거할 수 있다.
또한, 고온 및 고압으로 이산화티타늄을 만들던 방식을 상온에서 처리하여 제조 공정의 위험성과 비용을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 화학적 결합에 의해 환원된 이산화티타늄과 금속산화물의 중량 비율이 1 : 0.25, 1 : 0.5 또는 1 : 1 등의 비율로 결합을 하여, 환원된 이산화티타늄과 금속산화물의 중량 비율이 1 : 3 으로 결합하는 물리적 결합에 비해 이산화티타늄 복합체를 제조하는 과정에서 환원된 이산화티타늄이 적게 필요하여 제조비용을 감소 시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본원에 따른 이산화티타늄 복합체는 저수지, 강 하류 등에 살포되어 녹조 현상을 예방할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른, 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)을 만드는 과정 및 금속산화물과 결합한 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2-금속산화물)의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른, 이산화티타늄 복합체를 형성하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른, 여러 광촉매의 가스 제거 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른, 여러 광촉매의 XRD 스펙트럼이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 환원된 이산화티타늄과 금속산화물의 결합 비율을 다르게 하여 제조된 여러 이산화티타늄 복합체의 SEM 이미지이다.
도 6 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 이산화티타늄 복합체 및 텅스텐 산화물의 W4f XPS 스펙트럼이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 금속산화물과 화학적으로 결합한 환원된 이산화티타늄 복합체, 상기 이산화티타늄 복합체의 제조방법 및 상기 이산화티타늄 복합체를 포함하는 광촉매에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 아나타제상 및 루타일상을 포함하며, 상기 아나타제상 및 루타일상 중 어느 하나가 선택적으로 환원된 것인 환원된 이산화티타늄; 및 상기 환원된 이산화티타늄과 결합한 금속 산화물을 포함하는, 이산화티타늄 복합체를 제공한다.
자연에 존재하는 이산화티타늄은 크게 아나타제상 및/또는 루타일상의 두 가지 상(phase)를 포함할 수 있으며, 상기 두 상의 비율 등 다양한 원인에 의해 물성이 변화될 수 있다. 일반적으로, 상기 이산화티타늄의 밴드갭은 약 3.1 eV 이다.
이와 관련하여, 상기 루타일상 및 상기 아나타제상을 포함하고, 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나도 환원되지 않은 이산화티타늄은 P25 로서 표현될 수 있다.
본원에 따른 루타일상(rutile phase)은 금홍석으로도 알려져 있으며, 자연중의 이산화티타늄은 대부분 루타일상을 갖는다. 상기 루타일상은 상기 아나타제상에 비해 내후성, 은폐력, 백색 휘도, 및 유전율 등이 우수하다.
본원에 따른 아나타제상(anatase phase)은 물이나 공기 중에 존재하는 오염물질을 분해하기 위한 광촉매 활성이 뛰어나며, 다른 물질 상에 상기 아나타제상의 이산화티타늄을 코팅할 경우 내마모성이 향상될 수 있다.
상기 루타일상 및/또는 상기 아나타제상을 포함하는 이산화티타늄에 빛을 조사하면 광촉매, 유기물질 제거, 태양전지 등 다양한 용도로서 사용될 수 있다.
그러나, 단순히 자연 상태의 이산화티타늄을 사용할 경우, 비교적 낮은 효율을 갖고, 380 nm 이하의 자외선에만 반응하는 단점이 존재한다.
본 발명의 발명자가 공지한 종래의 기술에는 상기 이산화티타늄의 루타일상 및/또는 아나타제상 중 적어도 하나의 상만을 환원시킨, 환원된 이산화티타늄이 개시되어 있으나, 본원에서는 상기 환원된 이산화티타늄을 금속 산화물과 결합시켜 더욱 강한 활성을 가지는 이산화티타늄 복합체를 제조하였다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물의 결합은 화학적 결합 또는 물리적 결합인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물의 결합은 화학적 결합인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학적 결합과 물리적 결합은 제작방식과 조합비율에 차이가 있으며, 화학적으로 결합하였을때는 가시광에서 효과가 있으며, 본원에서는 화학적 결합을 통해 가시광에서의 광촉매성능을 강화했다.
또한, 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적으로 결합한 이산화티타늄 복합체는 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물의 중량 비율이 1 : 0.25, 1 : 0.5 또는 1 : 1 등 이지만, 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적으로 결합하지 않은 이산화티타늄 복합체는 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물의 중량 비율이 1 : 3 으로, 화학적 결합을 통해서 이산화티타늄 복합체를 제조하는 것이 환원된 이산화티타늄의 사용량이 적어서 비용 절감의 효과가 있다.
본원에 있어, 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적 결합을 하는 경우, 이산화티타늄 복합체의 XRD 스펙트럼 분석에서, 금속 산화물 영역을 나타내는 회절각 영역에서 1 개의 피크만을 가진다. 따라서, 상기 XRD 스펙트럼 분석에서, 2개 이상의 피크를 가지는 경우 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적 결합을 형성하는 것이 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 W, Mo, Cr, Re, Ir, Ta, Hf, Fe, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Sn, V, Bi, Sr, Ti, Ca, Nb, K, Na, Li, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄을 환원제와 혼합하여 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나를 선택적으로 환원시켜 환원된 이산화티타늄을 형성하는 단계; 상기 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물 전구체를 용매 상에 분산시킨 후 교반을 수행하여 이산화티타늄 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계를 포함하는, 이산화티타늄 복합체의 제조 방법을 제공한다.
이하, 도 1 및 도 2 를 참조하여 본원에 따른 이산화티타늄 복합체의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄을 환원제와 혼합하여 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나를 선택적으로 환원시켜 환원된 이산화티타늄을 형성한다 (S100).
도 1 의 (A)는 환원된 이산화티타늄을 형성하는 것을 나타낸 모식도이며, 도 1 의 (B)는 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적으로 결합한 것을 나타낸 모식도이다.
도 1 의 (A)를 참조하면, 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄(P25)을 환원제(Li-EDA)와 혼합하여 상기 아나타제상 및 상기 루타일상을 포함하는 이산화티타늄이 환원되어 청색을 띄는 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)이 형성되는 것을 알 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원제는 알칼리 금속 및 아민류를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 금속은 Li, Na, K 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아민류는 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 메틸렌디아민, 에틸아민, 1,2-디메톡시에탄, 헥사메틸렌이민, 디이소프로필아미드, 디에탄올아민, 올리에틸렌아민및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 액체 암모늄계 물질, 에틸렌디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트 산, 디아미노하이드록시프로판테트라아세트산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것, 또는 테르라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 헥사메틸포스포러아마이드, 디에틸아민, 트리에틸아민, 디에틸렌트리아민, 톨루엔 디아민, m-페닐렌디아민, 디페닐메탄디아민, 헥사메틸렌디아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 헥사메틸렌테트라아민, 에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 용매화 전자(solvated electron) 형성이 가능한 액체 아민류를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원은 밀폐 및 무수의 상태에서 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 환원은 상온에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물 전구체를 용매 상에 분산시킨 후 교반을 수행하여 이산화티타늄 복합체를 형성한다 (S200).
상기 환원된 이산화티타늄에 금속 산화물을 결합시키기 위하여, 상기 금속 산화물의 전구체를 상기 환원된 이산화티타늄과 용매상에 분산시킨 후 교반을 수행하였다.
상기 금속 산화물을 상기 환원된 이산화티타늄에 화학적으로 결합시키기 위해서는 반드시 상기 금속 산화물의 전구체를 사용하여야 하며, 상기 금속 산화물의 전구체와 상기 환원된 이산화티타늄을 용매상에 분산시켜 반응시킴으로써 본원에 따른 환원된 이산화티타늄과 금속 산화물이 화학적으로 결합된 이산화티타늄 복합체를 제조할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 알코올계 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 프로필올, 이소프로필올, 부탄올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 에탄올을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
교반이 완료된 이후, 이산화티타늄 복합체를 건조시킨다 (S300).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계는, 상기 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물 전구체가 분산된 용매를 필터링한 후 건조하여 상기 이산화티타늄 복합체를 획득하는 단계; 및 상기 이산화티타늄 복합체를 탈 이온수에 세척 후 진공오븐에서 상온으로 건조를 하는 단계를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 의 (B)를 참조하면, 상기 환원된 이산화티타늄과 상기 금속산화물이 결합한 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 상기 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 화학적 결합을 하여 이산화티타늄 복합체를 형성할 수 있다.
상기 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)과 삼산화 텅스텐(WO3)의 화학적 결합을 통해서 형성된 상기 이산화티타늄 복합체는, 기존의 환원된 이산화티타늄보다 더 강한 활성을 가진다.
본원의 제 2 측면에 따른 이산화티타늄 복합체의 제조방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원의 제 3 측면은 제 1 측면에 따른 상기 이산화티타늄 복합체를 포함하는, 광촉매를 제공한다.
상기 금속 산화물과 결합한 환원된 이산화티타늄 광촉매는, 금속 산화물과 결합하지 않은 환원된 이산화티타늄보다 더 강력한 광촉매 활성을 가진다.
광촉매란 광, 즉 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로, 광촉매가 빛을 받으면 오존과 같은 강력한 산화력이 발생하며, 이의 작용으로 유해 유기화학 물질을 물과 탄산가스로 변환하여 무독, 무취의 물질로 분해하는 원리이다.
광촉매는 수처리나, 공기에서의 화학 물질을 분해하여 무해하고 냄새가 없고, 무균화로 변환시키는 것으로, 오염물질의 분해와 자정작용이 있도록 하는 등의 기능이 있는 기술로서 유해한 화학물질에 대한 강력한 분해력으로 환경분야 뿐 아니라 많은 분야에 널리 사용되고 있다.
본원의 제 3 측면에 따른 광촉매에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1: 환원된 이산화티타늄의 제조]
아나타제상 및 루타일상 중 어느 한 상만 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2) 광촉매는 공지된 절차에 따라 제조하였다.
먼저, 14 mg 금속성 Li 포일을 20 ml 에틸렌디아민에 용해시켜 1 mmol/ml 용매화 된 전자 용액을 형성하였다.
상기 용액에 200 mg의 건조된 TiO2 나노결정 (분석, 크기: 25 nm 이하, 루틸, 크기: 140 nm 이하, P-25, 크기: 20 nm 내지 40 nm)을 첨가하고 7 일 동안 교반하였다. 상기 반응은 폐쇄 및 무수 조건에서 수행하였다.
이어서, 1 mol/L HCl을 혼합물에 천천히 적가하여 과량의 전자를 급냉시키고 Li 염을 형성시켰다.
최종적으로, 생성 된 복합재를 탈 이온수로 여러 번 헹구고 진공 오븐에서 실온에서 건조시켜 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)을 획득하였다.
[실시예 2: 이산화티타늄 복합체의제조]
실시예 1 에서 제조된 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2) 1000 mg과 삼산화 텅스텐의 전구체로서 사용한 파라텅스텐산암모늄 ((NH4)10H2(W2O7)6) 2500 mg을 에탄올 100 mL에 녹인후에 3 일간 교반을 수행했다.
이후, 상기 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물의 전구체가 분산된 용매를 필터링하여 건조된 이산화티타늄 복합체를 얻었다.
상기 이산화티타늄 복합체를 탈 이온수로 여러 번 헹구고 진공 오븐에서 실온에서 건조시켜 금속 산화물이 결합된 환원된 이산화티타늄을 얻을 수 있었다.
[실험예 1]
이산화티타늄 복합체의 광촉매로써 성능을 확인하기 위해서, 가시광 LED의 존재 하에 아세트알데하이드 가스의 농도를 측정하여 상기 이산화티타늄 복합체의 가스분해능을 실험했다.
도 3 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른, 여러 광촉매의 가시광선 존재하에 아세트알데하이드 가스 분해 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 설명의 편의를 위하여 환원된 이산화티타늄(Blue TiO2)을 BTO라고 칭하며, A 물질과 B 물질의 물리적 결합은 A/B로 표시하며, A 물질과 B 물질의 화학적 결합은 A-B로 표시한다. 또한, 본원의 실시예에 따라 제조된 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 화학적으로 결합한 이산화티타늄 복합체는 BTO-WO3-x로 표시한다.
3 L Tedlar bag 안에 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 화학적으로 결합한 광촉매(BTO-WO3-x)가 300 mg 코팅된 유리조각을 넣은후에, 산소와 아세트알데하이드 가스를 아세트알데하이드 가스의 농도가 100 ppm이 될 때까지 채웠다. 아세트알데하이드 농도는 검지관을 이용하여 측정하였다.
이후, 가시광 LED조명을 광촉매에 조사하였다. 30 분단위로 총 120 분 동안 검지관을 이용해 아세트알데하이드 가스의 농도를 측정했다.
도 3 을 참조하면, 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 단독으로 사용될 때에는, 광촉매 효과가 미미한 것을 확인 할 수 있다.
하지만, 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐 산화물(WO3) 이 1 : 0.25 의 비율로 화학적으로 결합되어있는 이산화티타늄 복합체 광촉매(BTO-WO3-x-0.25)는 80 분에 100%의 분해효율을 보였다.
상기 이산화티타늄 복합체 광촉매(BTO-WO3-x)의 아세트알데하이드 가스의 분해능은, 상기 삼산화 텅스텐(WO3)의 비율이 낮아질수록 높아졌다.
또한, 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 물리적으로 결합해 있는 광촉매(BTO/WO3)의 분해효율을 실험했다. 상기 광촉매(BTO/WO3)를 사용할 경우 120 분 내에 60%이상의 분해효율을 보였다.
또한, 상기 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 물리적으로 결합해 있는 광촉매(BTO/WO3)에 각각 철(Fe) 및 백금(Pt)의 도핑을 실시했다.
상기 상기 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐(WO3)이 물리적으로 결합해 있는 광촉매(BTO/WO3)에 철을 도핑한 광촉매(BTO/WO3-Fe)의 경우 120 분 내에 100%에 가까운 분해효율을 보였고, 백금을 도핑한 광촉매(BTO/WO3-Pt)의 경우 120 분 내에 100%의 분해효율을 보였다.
또한, 금속 산화물로 삼산화 텅스텐 이외의 CuO2, FeO, V2O5와 같은 금속 산화물을 결합하여 실험을 해보았으나, 환원된 이산화티타늄에 금속 산화물로 삼산화 텅스텐이 결합하였을 때, 가장 강력한 효과를 보였다.
실험예1을 통해서, 가장 높은 분해 효율을 보인 광촉매는, 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐 산화물(WO3) 이 1 : 0.25의 비율로 결합되어있는 이산화티타늄 복합체 광촉매(BTO-WO3-x-0.25)라는 것을 알 수 있었다.
[실험예 2]
도 4 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른, 여러 광촉매의 XRD 스펙트럼이다.
환원된 이산화티타늄과 금속산화물 복합 광촉매의 성능의 결정성을 파악하기 위해 엑스선결정학(XRD) 스펙트럼을 측정하였다.
도 4 를 참조하면, 환원된 이산화티타늄(BTO)과 삼산화 텅스텐 산화물(WO3)이 결합되어있는 이산화티타늄 복합체 광촉매의 결정성을 확인 할 수 있다.
먼저, WO3와 BTO/WO3의 스펙트럼에서는 WO3을 나타내는 회절각 20 내지 30 의 영역에서 3 개의 피크가 있는 것을 확인할 수 있다. 이는, 환원된 이산화티타늄과 삼산화 텅스텐 산화물이 화학적으로 결합하지 않았을 때에는 WO3의 특성이 이산화티타늄 복합체에서 나타난다는 것을 의미한다.
하지만, 본원에 따른 환원된 이산화티타늄과 삼산화 텅스텐 산화물이 화학적으로 결합한 이산화티타늄 복합체(BTO-WO3-x-1, BTO-WO3-x-0.5 및 BTO-WO3-x-0.25)에서는 WO3을 나타내는 회절각 20 내지 30 의 영역에서 1 개의 피크만을 가진다. 이것을 통해, 환원된 이산화 티타늄과 삼산화텅스텐 산화물이 화학적으로 결합이 되어있다는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
도 5 는 이산화티타늄 복합체의 SEM 이미지이다.
환원된 이산화티타늄과 금속산화물의 구성비율에 따른 이산화티타늄 복합체의 SEM 이미지를 촬영하였다.
파티클의 크기는 50 nm 이하를 나타냈으며, 나노 결정을 가지고 있었다.
도 5 를 참조하면, 환원된 이산화티타늄과 삼산화 텅스텐 산화물의 비율에 상관없이 완벽하게 조화, 결합 되어있는 것을 이미지를 통해 확인 할 수 있다.
이 둘의 결합과 구성비율이 광촉매의 성능의 지대한 영향을 끼치는 것으로 예상하고있다.
[실험예 4]
도 6 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 이산화티타늄 복합체 및 텅스텐 산화물의 W4f XPS 스펙트럼이다.
도 6 을 참조하면, WO2 에서의 결합에너지는 33.1 eV 이며, WO3에서의 결합에너지는 36.1 ev인 것을 확인할 수 있다.
본원의 실시예에 따라 제조된 BTO-WO3-x 광촉매의 W4f 결합에너지는 WO2 에서의 결합에너지 값과 WO3에서의 결합에너지 값의 사이인 35.323 eV인 것을 확인할 수 있다.
따라서, XSP 스펙트럼을 통해서 환원된 이산화티타늄과 삼산화 텅스텐 산화물이 화학적으로 결합하여 WO2와 WO3 사이의 W4f 결합에너지를 가지는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 아나타제상 및 루타일상을 포함하며, 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나가 선택적으로 환원된 것인 환원된 이산화티타늄; 및
    상기 환원된 이산화티타늄과 결합한 금속 산화물;
    을 포함하는,
    이산화티타늄 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 이산화티타늄과 상기 금속 산화물의 결합은 화학적 결합 또는 물리적 결합인 것인, 이산화티타늄 복합체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 환원된 이산화티타늄과 상기 금속 산화물의 결합은 화학적 결합인 것인, 이산화티타늄 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 W, Mo, Cr, Re, Ir, Ta, Hf, Fe, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Sn, V, Bi, Sr, Ti, Ca, Nb, K, Na, Li, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물을 포함하는 것인, 이산화티타늄 복합체.
  5. 아나타제상 및 루타일상을 포함하는 이산화티타늄을 환원제와 혼합하여 상기 아나타제상 및 상기 루타일상 중 어느 하나를 선택적으로 환원시켜 환원된 이산화티타늄을 형성하는 단계;
    상기 환원된 이산화티타늄 및 금속 산화물 전구체를 용매 상에 분산시킨 후 교반을 수행하여 이산화티타늄 복합체를 형성하는 단계; 및
    상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계;
    를 포함하는,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이산화티타늄 복합체를 건조시키는 단계는,
    상기 환원된 이산화티타늄 및 상기 금속 산화물 전구체가 분산된 용매를 필터링한 후 건조하여 상기 이산화티타늄 복합체를 획득하는 단계; 및
    상기 이산화티타늄 복합체를 탈 이온수에 세척 후 진공오븐에서 상온으로 건조를 하는 단계;
    를 포함하는,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 용매는 알코올계 용매를 포함하는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 알코올계 용매는 메탄올, 에탄올, 프로필올, 이소프로필올, 부탄올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 환원제는 알칼리 금속 및 아민류를 포함하는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 Li, Na, K 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 아민류는 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 메틸렌디아민, 에틸아민, 1,2-디메톡시에탄, 헥사메틸렌이민, 디이소프로필아미드, 디에탄올아민, 올리에틸렌아민및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 액체 암모늄계 물질, 에틸렌디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 디아미노하이드록시프로판테트라아세트산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것, 또는 테르라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 헥사메틸포스포러아마이드, 디에틸아민, 트리에틸아민, 디에틸렌트리아민, 톨루엔 디아민, m-페닐렌디아민, 디페닐메탄디아민, 헥사메틸렌디아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 헥사메틸렌테트라아민, 에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 용매화 전자(solvated electron) 형성이 가능한 액체 아민류를 포함하는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 환원은 밀폐 및 무수의 상태에서 수행되는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 환원은 상온에서 수행되는 것인,
    이산화티타늄 복합체의 제조 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 이산화티타늄 복합체를 포함하는, 광촉매.
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