Fiberous TiO2 광촉매의 제조 및 아세트알데히드의 광분해

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

남기혁, 김현종, 설용건

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

연세대학교 화학공학과

Synthesis and Photocatalytic decompositon of Acetaldehyde on fiberous TiO2

K. H. Nam, H. J. Kim, Y. G. Shul

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

산업구조가 고도화되고, 인구가 도시로 집중됨에 따라 환경은 급속한 속도로 오염되고 있다. 많은 유독 유기물, 무기이온 등이 공장폐수 또는 폐가스로 끊임없이 방출되고 있으며, 지난 수년간 이들 독성 물질들을 제거하기 위한 많은 공정이 개발되어 왔다. 최근 □고급산화기술(AOP : Advanced Oxidation Process)□이라 불리는 기술들이 중점적으로 연구되어 오고 있으며, 그 중에서 에너지원으로 ultraviolet(UV)와 광촉매를 이용한 광촉매 화학반응이 각별한 관심을 끌고 있다. 이러한 광촉매 반응은 촉매 화학의 새로운 분야로서 다른 공정에 비하여 비교적 값싸고, 재생가능한 에너지원과 화학적으로 유용한 물질을 얻을 수 있을뿐만 아니라, 난분해성 유기물의 산화 분해 반응에 응용될 수 있는 새로운 방법으로 인식되고 있다. 광촉매 반응에 쓰이는 광촉매는 일반적으로 1)광활성이 있으며, 2)가시광이나 ultraviolet(UV)를 이용할수 있으며, 3)생물학적, 화학적으로 안정할것, 4)Photocorrosion에 대한 안정성 5)경제적으로 유리할 것 등의 조건을 요구한다.[1-2]        현재 가장 흔히 쓰이는 광촉매로는 Titanium dioxide(TiO2)로 약 3.2eV의 bandgap energy를 가지고 있으며 이 energy에 해당하는 380nm이하의 photon energy를 흡수하면 여기되어 전자-정공쌍을 형성하고 이 전자-정공쌍이 광촉매 반응을 위한 활성점으로 작용하게 된다.[3]

본 연구에서는 Titanium sulfate와 Titanium Tricloride를 전구체로 하고 Activated carbon fiber를 매개체로 하여 Fiberous TiO2를 제조하였고 이에 대한 광촉매 성능을 상용 TiO2(P-25)와 비교 평가하였다.

본론

함침법에 의한 Activated carbon fiber(ACF)를 매개체로한 fiberous TiO2 제조의 전체적인 공정을 Fig. 1에 제시하였다. 실험에 사용한 전구체로는 Ti(SO4)2(Kanto Chemical Co. 24%)와 TiCl3(Kanto Chemical Co.)을 사용하였다. 15wt.%의 TiO2를 제조하기 위해 Ti(SO4)2 와 TiCl3를 정량한후 ACF에 Impregnation method로 담지시킨후, 500℃에서 5시간동안 열처리하여 TiO2 phase를 얻을수 있었다.

아세트알데히드의 광분해 반응은 Gas Chromatography(Shimadzu GC-8A, FID)에 연결하여 측정하였으며, 분석을 위한 column으로는 poropak N을 사용하였다. 반응물로 사용된 알데히드의 농도는 운반 및 희석기체로 O2를 사용하여 500ppm으로 고정하였고, 254nm의 주파장대를 갖는 빛을 방사하는 8W짜리 UV 형광등(Sankyo Denki Co.) 2개를 사용하여 광조사하였다. 반응기 내부로 도입된 기상 알데히드는 pump에 의해 3L/min의 유속으로 순환하게 하였고, 광분해 실험을 시작하기 전에 충분히 순환시켜 알데히드가 촉매에 완전히 흡착되도록 하여 흡착의 영향을 배제하고 광분해의 효과만을 고찰하였다.[4]

실험에 사용한 순환식 광촉매 반응기를 Fig. 2에 도시하였다.

결과 및 토론

Fig. 3은 각각 전구체로 Ti(SO4)2와 TiCl3를 사용하여 제조한 15wt.% TiO2의 XRD 분석 결과이다. XRD peaks로부터 500℃ 열처리후 TiO2의 anatase와 rutile상이 함께 존재함을 알수 있었고 ACF는 열처리 과정동안 산화되어 제거됨을 확인할수 있었다. 또한 동일한 제조과정에도 불구하고 전구체가 다를시 TiO2의 결정상이 다소 차이가 남을 알수 있었고 이로부터 각각의 광반응 효율 역시 달라지리라 예상할수 있었다.

Fig. 4는 제조된 촉매의 광촉매 반응성을 확인하기 위하여 impregnation방법으로 제조된 15wt.% TiO2와 상용으로 사용되는 Degussa P-25에 대한 아세트알데히드의 분해 속도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 Ti(SO4)2를 전구체로 사용한 경우에 가장 높은 광활성을 나타내었으며, 이는 ACF위에 Ti가 담지되었다가 ACF가 산화되면서 고표면적의 fiberous TiO2가 형성된 결과라 하겠다. TiCl3의 경우에는 초기에 상용 광촉매보다도 오히려 활성이 떨어짐을 확인할수 있었는데 이는 XRD 결과에 의하면 광촉매 반응의 광효율이 더 높은 anatase가 상대적으로 많은 TiCl3가 높은 광반응 효율을 보이리라는 예상과 반대되는 것으로 열처리후에도 남아있는 잔류 Cl성분이 광효율에 negative한 영향을 끼쳤기 때문이라 사료된다.

결론

ACF를 매개로 하여 Fiberous 형상의 15wt.% TiO2를 제조할수 있었는데 Ti(SO4)2를 전구체로 사용한 경우 고표면적으로 인해 우수한 광촉매 효율을 나타내었다. 이에 반해 TiCl3를 전구체로 사용한 경우에는 열처리후 잔류 Cl 성분으로 인해 오히려 광촉매 효율이 감소하는 경향을 보였다. 잔류 성분에 대한 정량적 분석 및 그에 따른 광분해 반응의 영향에 대한 연구가 현재 진행중이다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1. S.S.Lee, H.J.Kim, K.T.Jung, H.S.Kim and Y.G.Shul, Korean J. Chem. Eng., 18(6), 914, 2001

2. A.Fujishima, K.Hashimoto, T.Watanabe, In "TiO2 photocatalysis, Fundamentals and

Applications", (BKC, Inc., 1999)

3. D.Bahnemann, D.Bockelmann and R.Goslich, Solar Energy Material, 24, 564, 1991

4. H.J.Kim, The Graduated School Dept. of Chem. Eng. Yonsei Univ., 2000

Ti(SO4)2 solution / TiCl3 solution

Immersion ACF into solution

De-airing

Drying

Calcination

Fiberous TiO2

Fig. 1 Experimental scheme of                  Fig. 2 Schematic diagram of reaction system

the synthesis of fiberous TiO2

Fig. 3 X-ray diffraction patterns of fiberous TiO2 prepared by impregnation

method using different precursors.

(a) TiCl3 precursor            (b) Ti(SO4)2 precursor

Fig. 4 Photocatalytic decomposition of acetaldehyde(500ppm) on 15wt.% TiO2