광촉매에 대해서[메틸렌블루 제거, 광촉매를 이용한 반공화공 실험]

목차

1. 서 론

2. 이 론
2.1 TiO2의 기본적인 성질

2.2 광촉매
2.2.1 광촉매의 정의
2.2.2 광촉매의 종류
2.2.3 광촉매의 원리
2.2.4 광촉매의 제조

2.3 광 촉매 응용 및 용도
2.3.1 수질 오염 정화
2.3.2 광촉매를 이용한 공기정화
2.3.3 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds : VOCs)
2.3.4 광촉매 산화반응
2.3.5 TiO2/UV이론

본문내용

기화합물(Volatile Organic Compounds : VOCs)
탄소와 수소로 구성된 탄화수소류와 할로겐화 탄화수소, 질소나 황함유 탄화수소 등 상온상압에서 기체상태로 존재하는 모든 휘발성 유기화학 물질을 통칭하는 의미로 사용되고 있다. 이들 물질들은 강한 자외선과 반응하면 오존 등과 같은 산화성 2차 오염물질(Photochemical Oxidant)을 생성하게 되며 지구 온난화와 오존층 파괴의 원인물질이 되기도 한다. 또한 VOCs오염현상은 산업근로현장에서의 직업병시비, 중독문제, 인체유해성 등에 대한 논란과 같은 사회적 문제들을 야기하고 있다. VOCs중 염소계 휘발성 유기화합물은 산업현장에서 용매, 세정제로 다량 사용되고 있으며 이들이 함유하고 있는 염소의 대기수질환경 및 인체에 대한 유해한 독성 때문에 그 처리에 있어서 관심이 집중되고 있다.
이산화 티타늄과 같은 금속산화물의 광촉매를 사용하는 광촉매 산화방법은 아주 적은 에너지로서 대기환경 중의 오염물질을 2차적인부산물이 없이 환전히 분해시킬 수 있고, 태양광의 자외선을 에너지원으로 이용할 수 있는 이점 때문에 장래의 경제적인 처리기술로서 각광을 받고 있다. 일본에서 광촉매를 이용하여 도로변의 질소산화물 제거 및 TEC를 비롯한 유해대기오염물질에 대하여 제거실험을 수행하여 긍정적인 결과를 보고하였으며 환경정화기술로서 대기 및 실내, 토양, 강등에 있어서도 적용이 가능하다고 주장하기도 하였다.
환경대기 및 실내공기 중에서 여러 가지 문제점을 가지고 있는 휘발성 유기화합물 중에서 모의가스로서 트리콜로로에틸렌과 톨루엔은 이산화티타늄 광촉매 반응기의 적용이 가능하다.
2.3.4 광촉매 산화반응
광촉매 산화방식은 가스상 오염물질을 처리하는데 있어서 기존의 처리방식을 탈피한 방식으로 광에너지를 금속상의 촉매에 조사하여 OHㆍ을 생성시켜 유기물을 분해하는 방식이다. 이 때 에너지원으로서 주로 자외선 300 ～ 400nm을 이용하는데 이러한 광촉매 산화법은 환경대기 및 실내공기중의 유기물과 반응하는 장점을 가지고 있어 광촉매에 의한 OHㆍ의 생성 및 그 양이 공정의 주요한 핵심이라 할 수 있다. 또한 광원으로서 자외선 램프를 주로 사용하지만 플라즈마를 발생시켜 이를 자외선 광원으로 이용할 수도 있다.
이산화 티타늄 광촉매 산화반응에서 OHㆍ생성 메카니즘 및 광산화 반응경로는 확실하게 밝혀지지는 않았고 아직도 많은 이론들이 제시되고 있다. 즉 380nm 이하의 좌외선을 TiO2입자에 조사시키면 가전자대의 전자들이 쉽게 전자와 양공쌍을 만들면서 전도대로 튀어 오르며, 이때 전자들의 양공들은 TiO2 입자표면에 각기 다른 상태로서 위치하게 된다. 전자들은 가스와 촉매 사이에서 위치하게 된다. 전자들은 가스와 촉매 사이에서 전자 전달체로 작용하여 촉매 표면에 산소를 생성시킨다. 양공(Positive Hole)은 Hydroxyl Ions이나 H2O에 고정되어 있을 것으로 추측되며 이 양공들은 Hydroxyl Radicals(OH-,OH,H)을 생성시킨다. 이때 생성된 활성산소중(O2-, O-)과 Hydroxyl Radicals들은 촉매표면에 접촉된 공기중의 유기물을 분해한다.
2.3.5 TiO2/UV이론
어떤한 물질이 광에너지를 흡수하지 못하고 통과시킨다면 광에 의한 화학반응은 발생할 수 없다. 왜냐하면 광반응이 일어나기 위해서는 물질의 분자들에게 최소한의 활성화에너지 이상의 광에너지가 필요하기 때문이다.
TiO2광촉매의 광화학반응은 유기물과 TiO2의 band gap energy보다 큰 에너지에 해당하는 광에너지의 흡수에 의하여 생성되는 전자와 전공과의 반응에 의하여 발생한다 그러나 이렇게 형성된 전자와 정공은 반응을 유발할 물질과 만날 여유가 없으며 그림에서 보는 바와 같이 빠른 속도로 재결합하여 광반응을 유도할수 없다 따라서 광화학반응에 의한 첫 번째 필수 요구조건은 TiO2의 band gap energy를 능가하는 파장의 광흡수로 electron-hole pair를 동일한 수로 생성시키는 것이다. 전자가 채워져 있는 valence band로 이동하고 이 때 생성된 정공은 산화반응에 기여하고 conduction band이동한 전자는 환원반응에 기여한다.
이때 여기 conduction band로 이동한 전자는 전자수용체인 O2와 반응하여 재결합을 늦추거나 superoxide radical(O2-), hydroperoxy radical(HO2)를 생성하여 반응이 진행된다 광촉매는 광에너지를 받아 여기(excite)되었다가 재결합하는 시간이 ns에서 ps의 짧은 시간이고 그사이에 재결합 속도를 늦추는 것과 band gap energy를 낮추어 장파장의 광에너지로 활용하는 것이 핵심영역중 하나이다. [2]
참고문헌
[1] 나노입자 이산화티탄 광촉매의 개발 및 상용화, 신동우, 경상대 재료공학부, p.7
[2] http://mybox.happycampus.com/screenpd/2058729
[3] http://kor.forx.org/upload/download3/report620.pdf
[4] 산화티탄 광촉매의 기술개발 동향, 신희덕, 한국과학기술정보연구원, p.2
[5] http://mybox.happycampus.com/boraya84/652157
[6] 화학증착법에 의해 성장된 TiO2박막의 증착기구와 표면형상에 미치는 증착조건의 영향, 황철성, 27권4호, p539, 1989
[7] http://www.enbkorea.com
[8] 가시광에 반응하는 TiO2 광촉매의 제조 및 특성평가, 최재영, 석사학위논문, 금오공과대학교 대학원, p.5 ∼ 17, 2007
[9] http://www.nano-pac.com/tek01.html
[10] http://www.chemexper.com
[11] http://100.naver.com/(네이버 백과사전)
[12] 이온교환과 침전법에 의하여 제조된 TiO2 광촉매의 물성과 광촉매 효과, 이원묵, 한밭대 응용화학공학부 에너지청정기술연구소 p.139
[13] TiO2 박막을 이용한 광촉매반응의 응용, 김영관, 강원대학교 산업 기술연구소 논문집 제17집, 1997, p.251

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