광촉매에 대한 이론 및 전처리-양극산화에 의한 TiO2제조 실험

소개글

광촉매에 대한 이론 및 전처리-양극산화에 의한 TiO2제조 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 광촉매란 무엇인가?
(1) 광촉매란?
(2) 광촉매의 종류
(3) 광촉매의 기능
(4) 광촉매 응용 분야
2. 광촉매 반응 원리
(1) 전자와 정공의 발생
(2) 전자와 정공의 이행
3. 광촉매의 실용화(고정화)
(1) 활성표면의 확보
(2) 바인더의 내구성
(3) 기타조건
(4) 티탄화합물 용액을 이용하는 방법
4. 전처리-양극산화에 의한 TiO2 제조 실험 사례
(1) 실험 방법
(2) 실험 결과
(3) 분석 및 고찰

본문내용

문에 현재에는 대부분이 이산화티탄으로 교체되고 있다. 이산화티탄은 백색성이 높고 화학적으로 안정하여 무해하다는 등 많은 특별한 장점을 갖고 있기 때문이다.
그러나 안료로서의 이산화티탄에도 유일한 결점이 있었다. 그것은 다름 아닌 광촉매 작용이었다. 백색 도료를 바른 후에, 시간 경과와 더불어 도포 이후에 도막의 광택을 잃어, 표면이 거칠고, 손가락으로 문지르면 이산화티탄이 희게 부착된 것처럼 된다. 이것을 쵸킹이라고 하는데, 도료의 바인더인 수지가 분해되어, 이산화티탄 입자가 드러내기 때문이다. 특히 옥외의 직사광선이 닿는 장소에서의 열화가 격렬해서, 광촉매 작용인 것을 알게 되었다. 이것을 방지하기 위하여, 안료용의 이산화티탄으로서 아나타제보다도 광촉매 활성이 작은 루틸이 사용된다. 현재에는 그 표면을 산화알루미늄이나 산화규소의 대단히 얇은 막으로 코팅하여, 광촉매 작용이 생기지 않게 한다.
그림 . 안료용 이산화티탄의 표면처리
지금에 와서는 이산화티탄을 불활성화 하기 위해서 무기재료를 개재하면 좋다는 것을 알게 되었으며, 그림 5에서처럼, 미리 무기재료를 코팅함으로써 유기물에도 이산화티탄 광촉매를 부착하는 것이 가능하게 되었다.
그림 . 유기물 표면에 광촉매층을 붙이는 방법
그림 6. 종이에 첨가한 이산화티탄의 모델
종이의 경우는, 이산화티탄 입자를 분산시키지 않고 이용하여, 종이의 섬유와 이산화티탄 입자의 접촉 면적을 적게 함으로서, 종이의 열화를 억제하고 있다. 종이의 경우는 일반적으로 값싼 광촉매 재료를 제공하는 것을 목적으로 하고 있으므로 수명은 반 영구적이 아니어도 좋다.
(3) 기타 조건
환경 중에서 사용하는 광촉매 재료로서, 바인더도 무해·무독인 것이 필요하며, 옥외에서는 일광·풍우 등에 대하여 내구성이 필요하게 된다. 광촉매의 재생이 필요한 것은 그 조작이 간단하여 반복 작용이 가능한 것이어야 한다.
건축재료 등에 복합화 하는 경우에는, 원래의 재료가 갖고 있는 성능을 손상시키지 말아야한다. 또, 실용 재료로서는 색이나 표면 형상의 다양성 등 의장성도 중요하다.
(4) 티탄화합물 용액을 이용하는 방법
광촉매 입자를 이용할 때 필요한 바인더를 얻는 방법으로서, 유기 티탄 화합물의 용액 등을 여러 가지 방법으로 기재에 도포하여, 그 후 소성함으로써 이산화티탄으로 변화시키는 방법이 광범위하게 사용되고 있다. 유기티탄 화합물로서는 티탄에 알코올을 결합시킨 알콕시드나 아세틸아세트나이트 등을 이용하고 있다. 이것을 딥(dip), 스핀(spin), 스프레이(spray) 등의 방법으로 기재에 코팅한다.
그림 . 티탄 화합물 용액의 도포 방법
이러한 방법의 대표격인 졸-겔법의 순서를 그림 8에 나타내었다. 티탄 알콕시드는 수분이 있으면, 가수분해하여, 수산화티탄의 미립자가 생기는 데, 이것은 계속해서 상호간에 결합하고 있는 극간의 많은 망목상 구조를 만든다. 이렇게 되면 그때까지의 입자로 있던 것의 움직임을 빼앗아 굳어진다. 이 가수분해와 축중합의 빠르기는, 주위의 습도나 유기물의 혼합 등에 의해 변화하므로, 다공질로부터 치밀한 막까지, 투명한 것부터 불투명한 막까지 만드는 것이 가능하다.
그림 . 졸-겔법에 의한 이산화티탄 투명 박막의 제조
4. 전처리-양극산화에 의한 TiO2 제조 실험 사례
(1) 실험 방법
(가) 실험 시편을 30% 불산(HF)용액에 1분간 침지 후 수세 건조시킨다.
(나) 시편을 양극산화한다.
양극산화 실험 조건
① 0.3M 인산+1.5M황산+0.6M과산화 수소
② 온도 : 34
③ 시간 : 30분
④ Current Density : 30mA/cm2(0.72A)
⑤ Apply Voltage : 140V, 180V, 220V
(다) 염료 용액(아닐린 블루)에 산화 티탄 침지 후 시간에 따른 분해 농도를 측정한다.
(라) SEM, XRD로 산화티탄을 분석한다.
(2) 실험 결과
(가) 각 전압에 따른 분해율 측정값
시간
140V
180V
220V
0
0
0
0
1
5.4
22.9
25.3
2
7.9
43
37.1
3
9.9
58.1
54.5
4
15.2
69.5
63.8
5
21
74.4
69.5
6
27.3
76.9
71.7
(나) 전압에 따른 표면 사진 관찰
① 140V : 180V, 220V의 사진보다 기공의 크기가 작다.
② 180V : 140V보다는 기공의 크기가 크지만 220V 보다는 크기가 작다.
③ 220V : 3개의 시편 사진 중 기공의 크기가 가장 크며 이와 같은 이유는 전반적으로 전압이 높을 수록 분해율이 높기 때문에 시편의 기공의 크기가 커진 결과이다.
(3) 분석 및 고찰
(가) XRD Pattern 분석
X-ray diffraction patterns of anodized oxide layers formed in
H_{ 2 } SO_{ 4 } +H_{ 3 } PO_{ 4 } +H_{ 2 } O_{ 2 }
① 140V :
140V에서는 아나타제의 양이 다른 220V, 180V의 양보다는 현저히 적다. 하지만 루틸이 많이 있어서 결정질은 주면(柱面)에 불완전하고, 단면은 패각상(貝殼狀)이거나 평탄하지 않다.
② 180V :
220V와 마찬가지로 아나타제의 양이 루틸보다 많으므로 220과 비슷한 곳에서 쪼개짐이 발생한다.
③ 220V :
아나타제의 양이 많으므로 아나타제의 결정질은 [001], [011]의 피크에서 잘 나타난다.
(나) 시간에 따른 광분해율 분석
(다) 고찰
실험결과에 의하면 140V일 때의 광분해율이 180V나 220V보다 확연히 떨어지는 것을 볼 수 있다. 180V와 220V의 광분해율을 비교해 보면, 초기에는 220v의 광분해율이 다소 높게 나왔으나, 시간이 지남에 따라 180V의 광분해율이 220V의 광분해율보다 높아짐을 볼 수 있다. 실험 결과와 같이 분해율의 차이가 발생하는 이유는, 표면 사진에서도 볼 수 있듯이 전압에 따른 기공의 크기 차이에 의한 것으로 생각된다. 즉, 단위 면적 당 빛을 받을 수 있는 양이 증가하면 분해율이 증가하기 때문으로 볼 수 있다.
□ 참고 문헌
·다게우찌 고우지 외 2명. 광촉매의 세계, 대영사, 2000
·한국광촉매협회. http://www.akp.or.kr/

키워드

광촉매,   재료 공학,   신소재,   TiO2,   티타니아,   양극 산화,   전처리