수열합성법에 의하여 제조된 광촉매의 물성측정과 유기물의

광화학 반응 효과

김동진, 정우진, 류제욱, 김윤정, 이철우, 이원묵, 김준학*

한밭대학교 화학공학과, 국제 특허 연수부*

Charaterization of Photocatalysts Prepared by Hydrothermal Reaction and Their Photocatalytic Activity for Decomposition of Organic Compounds

Dong Jin Kim, Woo Jin Jung. Je Wook Lyu, Yun Jung Kim, Chul Woo Lee, Won Mook Lee, Jun Hak Kim*

Department of Chemical Engeneering, Hanbat National University,

National Institute of Professional Administration*

서론

광촉매 티타늄 옥사이드의 산화 반응은 항균, 항취, 대기 또는 수질의 오염물질 제거를 위한 공정에 적용되어 환경 친화적으로 많은 기대가 주목되어지고 있다.

이러한 광촉매 반응은 다른 공정에 비하여 경제적이며, 풍부한 에너지원인 태양광을 활용하여 화학적으로 유용한 물질을 부생 시킬수 있다.

일반적으로 광산화 반응에 대한 산화물 반도체는 TiO2(anantase)ＢTiO2(rutile)ＢZnOＢZrO2ＢSnO2ＢV2O5의 순으로 알려져 있고, 각각의 제조 방법과 결정화도에 따라 활성의 차이가 있는 것으로 알려져 있다.

이외에도 표면적과 기공의 크기, 입자의 크기에도 광화학 반응은 간섭을 받게 되는데 이러한 물리적 특성들은 제조 과정중 온도, 압력, 성분비, 열처리 과정을 조절함으로서 다양한 특성의 광촉매 티타늄 옥사이드를 개발 할 수 있다.

본 연구에서는 다양한 solvent를 적용하며 수열 처리 방법을 이용하여 티타늄 옥사이드를 제조하였고, 비 표면적과 기공의 크기를 증폭시켜 이에 따른 광화학 활성의 향상을 위해 TiO2-SiO2 복합체를 제조하였다.

졸 상태, TiO2-SiO2의 구성비, 소성온도를 변화시키며 이에 따른 물리적 성질의 변화를 XRD, B.E.T, SEM, FT-IR, ICP, EDS를 이용하여 살펴보았다.

실험

TIP(Titanium isopropoxide)를 전구체로 하고 졸용액을 제조하기 위한 solvent는 Toluene, 2-Butanol, Iso butyl alcohol, Propylene glycol, Ethylene glycol을 사용하였다. 전구체와 solvent를 일정 비율로 혼합하면서 졸을 제조하였고, 제조된 졸용액을 수열합성 반응기로 수열 처리 과정을 진행시켰다.

온도는 300℃에서 반응을 수행하였으며 수열과정에 참여하는 물은 solvent를 이용 하여 수열 처리 과정 중 발생하는 물을 참여하도록 하였다. 수열 처리 과정 후 세척과 원심분리, 실온에서 10시간동안 건조한 뒤 동시에 400℃, 700℃, 900℃에서 소성 하여 티타늄 옥사이드 분말을 제조하였다.

TiO2-SiO2 복합체의 제조는 TIP와 TEOS(Tetra ethylene ortho silicate)를 전구체로 사용 하였다. 가수분해 및 축중합 반응에 의해 졸용액을 제조 하였으며, 여기에 사용된 용매는 티타늄 옥사이드 제조에 사용된 solvent중 선택하여 반응에 참여하도록 하였다. 졸용액이 완성되면 티타늄 옥사이드 제법과 동일한 온도와 조건으로 수열 처리하여 TiO2-SiO2 복합체를 제조 하였다.

제조된 티타늄 옥사이드는 solvent의 머릿글자를 따서 HTT, HIB, H2B, HPG, HEG라 명명했고, TiO2-SiO2 복합체는 HTS1010, HTS1006, HTS1002, HTS0610, HTS0210으로 명명했다.

결과 및 고찰

Table 1. Physical properties of prepared titania

Catalysts	소성			B.E.T (m2/g)	Solvent	solation time (h)	Particle size(nm)
	400	700	900				400	700	900
HYTT	A	R	R	59.69	Toluene	5	16	73	80
HY2B	A	A	R	42.57	2-Butanol	2	14	30	84
HYIB	A	R	R	0.76	Isobutyl alcohol	5	16	78	84
HYPG	A	A R	R	76.63	Propylene- glycol	5	21	33	78
HYEG	A	A R	R	4.83	Ethylene glycol	5	16	30	77
HTS1010	A	A	A	-	2-Butanol	7	15	15	18
HTS1006	A	A	A	322.76	2-Butanol	7	19	16	18
HTS1002	A	A	A	208.50	2-Butanol	7	15	15	16
HTS0610	A	A R	R	506.64	2-Butanol	7	15	30	37
HTS0210	A	A	A	511.13	2-Butanol	7	15	14	16

Table 1. 은 제조되어진 티타늄 옥사이드 촉매의 물성을 나타낸 것으로서 solvent마다 anatase에서 rutile로 전이되는 소성온도가 다름을 알수 있다.

Particle size는 XRD의 회절각을 이용한 Scherrer formula에 적용하여 구할 수 있었다. 소성 온도에 따라 Particle size의 증가는 입자의 결정화 증진에 이유를 들 수 있다. TiO2-SiO2 복합체는 높은 비표면적 값과 고온에서 HTS0610을 제외한 다른 복합체에서는 상 변화를 찾아 볼 수 없었다. 비표면적과 기공의 크기가  증폭된 TiO2-SiO2 복합체의 광화학 활성은 2-Propanol의 산화반응을 통한 실험을 수행하고자 하였다.

Table 2.는 티타늄 옥사이드의 제조 방법을 나타낸 것으로서 solation time과 sol solution의 안정성에 따라 수열 처리 된 후 분말들의 입자 크기와 결정성의 차이가 있음을 XRD, SEM 분석을 통해 관찰 할 수 있었다.

Table 2. Procedures for preparation of catalysts

				Solvent
							← stirred
				TIP
				Solation				Room Temperature
				sol solution
				Hydrothermal Reaction				Temp. 300℃ - 2℃/min
				Product
				Washing
				Centrifuge/Drying
				Calcination
400℃					700℃				900℃

Fig. 1 은 제조된 티타늄 옥사이드와 TiO2-SiO2 복합체의 XRD측정 결과를 나타낸 것으로 온도에 따라 피크의 폭이 좁고 intensity가 높은 것으로 결정화도의 증가를 알 수 있다.

solvent의 변화에 따른 입자상들의 고온에서 열적 안정성을 구분할수 있었으며 촉매의 광화학적 활성의 증진을 위한 비표면적의 증가, 열적으로 더욱 안정된 상들의 티타늄 옥사이드를 제조 하여 관찰 할수 있다.

참고문헌

1. T. Wakanabe, A. Kitamura, E. Kojima, C. Nakayama, K. Hashimoto, A.        Fujishima, in; D.E. Oils, H. Al-Ekabi(Eds), Photocatalytic Purification and     Treatment of Water Air, Elsevier, 1993, p. 747

2. M.A. Fox, M.T. Dulay, Chem. Rev. 93 (1993) 341

3. A. Mills, S. Morris, R. Davies, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 70 (1993)     183-191

4. "ELEMENTS OF X-RAY DIFFRACTION", ed. B. D. CULLITY

5. C-C. Wang, J.Ying, Chem. Mater. 11, (1999) 3113-3120

Fig. 1  XRD patterns of prepared titanium oxide

Fig. 2  FT-IR spectra of TiO2-SiO2 composit oxides