KR-102961546-B1 - WO3-TiO2 Visible Light Photocatalyst and its Manufacturing Method

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Abstract

본 발명은, TiO 2 와 WO 3 를 복합화 함에 의해 가시광선 조사 시 WO 3 에서 형성된 전자를 TiO 2 가 전자 받는 역할을 하게 함으로써 WO 3 의 정공과 효과적으로 분리시킴에 의해 효율적인 가시광선 광촉매를 개발하고자 하되, 이 과정 중 WO 3 첨가량의 변화가 가시광선 광촉매의 효율에 미치는 영향을 조사하여 최적의 WO 3 첨가량을 구하고자 하는 WO 3 -TiO 2 가시광선 광촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제조방법은, WO 3 -TiO 2 가시광선 광촉매 및 그 제조방법은, TiO 2 나노분말 7.9 g을 증류수 200㎖에 첨가한 후 초음파를 이용하여 분산시켜 TiO 2 나노분말 분산액을 제조하는 단계; WCl 6 를 ethanol에 첨가하여 얻어진 용액을 상기 TiO 2 나노분말 분산액에 첨가한 뒤 충분히 혼합되도록 교반하는 단계; 혼합 용액을 건조 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조시켜 WO 3 -TiO 2 복합물을 제조하는 단계; 및 상기 건조된 WO 3 -TiO 2 복합물을 곱게 갈아준 뒤, 분당 5℃의 승온 속도로 500℃에서 1시간 동안 하소 과정을 거쳐 WO 3 -TiO 2 나노분말을 제조하는 단계;를 포함한다.

Inventors

송기창
김태형

Assignees

건양대학교 산학협력단

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20240610

Claims (3)

평균 입경 21㎚의 TiO 2 나노분말 7.9 g을 증류수 200㎖에 첨가한 후 초음파를 이용하여 분산시켜 TiO 2 나노분말 분산액을 제조하는 단계; 순도 99.9%의 WCl 6 를 ethanol에 첨가하여 얻어진 용액을 상기 TiO 2 나노분말 분산액에 첨가한 뒤 충분히 혼합되도록 교반하는 단계; 혼합 용액을 건조 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조시켜 WO 3 -TiO 2 복합물을 제조하는 단계; 및 상기 건조된 WO 3 -TiO 2 복합물을 곱게 갈아준 뒤, 분당 5℃의 승온 속도로 500℃에서 1시간 동안 하소 과정을 거쳐 WO 3 -TiO 2 나노분말을 제조하는 단계; 를 포함하되, 상기 교반단계에서 상기 WCl 6 는 ethanol 50㎖에 대해 0.003mol(TiO 2 7.9g 대비 몰비(Ti/W) 33.3) 혼합되고, 상기 WO 3 -TiO 2 나노분말은 X선 회절(XRD) 측정 시 회절각 25° 및 48°에서 아나타제(anatase) 상의 피크가 나타나고, 회절각 27°에서는 루틸(rutile) 상의 피크가 나타나며, 회절각 42°에서 WO 3 상의 피크가 나타나는 결정상을 포함하는 것을 특징으로 하는 WO 3 -TiO 2 가시광선 광촉매의 제조방법.
삭제
제1항에 따른 제조방법에 의해 제조되는 WO 3 -TiO 2 가시광선 광촉매.

Description

WO3-TiO2 가시광선 광촉매 및 그 제조방법 {WO3-TiO2 Visible Light Photocatalyst and its Manufacturing Method} 본 발명은 WO3-TiO2 가시광선 광촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, TiO2와 WO3를 복합화 함에 의해 가시광선 조사 시 WO3에서 형성된 전자를 TiO2가 전자 받는 역할을 하게 함으로써 WO3의 정공과 효과적으로 분리시킴에 의해 효율적인 가시광선 광촉매를 개발하고자 하되, 이 과정 중 WO3 첨가량의 변화가 가시광선 광촉매의 효율에 미치는 영향을 조사하여 최적의 WO3 첨가량을 구하고자 하는 WO3-TiO2 가시광선 광촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다. 화장실 악취, 건축 자재 및 쓰레기 처리에 의한 오염 물질, 수질 정화, 미세먼지 등 실생활의 다양한 분야에서 탈취 및 오염 물질이 발생하고 있으며, 이를 효율적으로 제거할 수 있는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 이중에서 이산화티타늄(TiO2)은 n-type 반도체의 일종으로 대표적인 자외선 광에 의해 반응을 하는 광반응 소재이다. 약 3.2 eV의 밴드갭 에너지를 갖는 이산화티타늄은 자외선을 조사하게 되면 자외선에서 발생하는 빛에너지를 흡수하여 TiO2 표면의 전자가 가전자대(Valence band, VB)에서 전도대(Conduction band, CB)로 여기 된다. 이때 전자가 들뜨면서 전도대에는 전자(e-)들이 형성되고, 가전자대에는 정공(h+)이 형성되게 된다. 여기에 의해 형성된 전자(e-)와 정공(h+)들은 공기 혹은 수중의 O2, OH-, H2O와 각각 반응을 하여 반응성 산소 라디칼들인 O2-, OH-, OOH-를 생성하게 된다. 이렇게 생성된 O2-, OH-, OOH- 등의 반응성 산소 라디칼들과 정공은 유해물질인 NOx, SOx, 휘발성 유기화합물(VOCs) 등 대기오염물질과 축산폐수, 공장폐수 등의 수질 오염물질의 제거 효과가 크다. 그러나 이산화티타늄의 밴드갭 에너지는 자외선 영역의 에너지 이상을 제공해야 광촉매 효율을 나타내어 가시광선과 같은 상대적으로 낮은 에너지에서는 광촉매 효율을 나타내지 못하기 때문에 산업 현장에서 적용하는데 어려움이 있다. 한편, 지표면에 도달하는 태양광 중 5% 미만이 자외선이나, 가시광선은 약 40%를 차지하고 있으며, 실내 조명등의 경우에는 대부분이 가시광선을 방출하고 있다. 따라서 태양광과 실내 조명등을 효율적으로 응용하기 위해서는 가시광선 조사 하에서 광촉매 활성을 갖는 가시광 감응 광촉매의 개발이 요구되고 있다. WO3은 광촉매의 일종으로 밴드갭 에너지(2.4 ~ 2.8 eV)가 작아 가시광선 하에서도 쉽게 전자와 정공이 형성되어 광촉매 역할을 하지만, 밴드갭이 작아 다시 쉽게 전자와 정공이 재결합되는 문제점이 있다. 도 1은 본 발명에 따른 WO3-TiO2 가시광선 광촉매의 제조방법을 도시한 순서도, 도 2는 다양한 몰비의 WCl6가 첨가된 에탄올 용액을 나타낸 사진((a)는 0.0001 mol이고, (b)는 0.001 mol이며, (c)는 0.003 mol이고, (d)는 0.005 mol임), 도 3은 다양한 몰비의 WCl6가 첨가된 TiO2 혼합 용액의 사진((a)는 0.0001 mol이고, (b)는 0.001 mol이며, (c)는 0.003 mol이고, (d)는 0.005 mol임), 도 4는 다양한 몰비의 WCl6와 TiO2가 혼합된 건조물의 사진((a)는 0.0001 mol이고, (b)는 0.001 mol이며, (c)는 0.003 mol이고, (d)는 0.005 mol임), 도 5는 다양한 WCl6 첨가량으로 제조된 건조물을 500℃에서 1 h 동안 하소시켜 얻어진 WO3-TiO2 나노분말의 사진((a)는 0.0001 mol이고, (b)는 0.001 mol이며, (c)는 0.003 mol이고, (d)는 0.005 mol임), 도 6은 WCl6 0.0001 mol이 첨가되어 제조된 나노분말을 사용하여 각각 자외선(a)과 가시광선(b) 조사하에서 메틸렌 블루(MB) 분해 시 광조사 시간에 따른 광분해율 변화를 도시한 그래프, 도 7은 WCl6 0.001 mol이 첨가되어 제조된 나노분말을 사용하여 각각 자외선(a)과 가시광선(b) 조사하에서 메틸렌 블루(MB) 분해 시 광조사 시간에 따른 광분해율 변화를 도시한 그래프, 도 8은 WCl6 0.003 mol이 첨가되어 제조된 나노분말을 사용하여 각각 자외선(a)과 가시광선(b) 조사하에서 메틸렌 블루(MB) 분해 시 광조사 시간에 따른 광분해율 변화를 도시한 그래프, 도 9는 WCl6 0.005 mol이 첨가되어 제조된 나노분말을 사용하여 각각 자외선(a)과 가시광선(b) 조사하에서 메틸렌 블루(MB) 분해 시 광조사 시간에 따른 광분해율 변화를 도시한 그래프, 도 10은 WCl6 첨가량을 달리하여 제조된 나노분말을 사용하여 자외선 조사하에서 메틸렌 블루 분해 시 광조사 시간에 따른 흡광도 그래프, 도 11은 WCl6 첨가량을 달리하여 제조된 나노분말을 사용하여 가시광선 조사하에서 메틸렌 블루 분해 시 광조사 시간에 따른 흡광도 그래프, 도 12는 WCl6 첨가량 0.003 mole의 조건으로 제조된 WO3-TiO2 나노분말의 100℃부터 600℃까지의 하소온도 변화에 따른 XRD 결과를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시 예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 실시 예에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열에 의해 본 발명의 응용이 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 다른 실시 예들로 구현될 수 있고, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또한, 장치 또는 요소의 방향 등과 같은 용어들에 관하여 실시 예에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되며, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다. 예를 들면, "제1", "제2"와 같은 용어가 본 발명을 설명하는 실시 예와 청구항에 사용되는데, 이러한 용어가 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자가 발명의 용어와 개념을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념에 입각하여 기재한 것으로 해석하여야 한다. 따라서 본 발명은 제시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구 범위에 기재된 기술상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다. 다음에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 WO3-TiO2 가시광선 광촉매의 제조방법을 도시한 순서도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 WO3-TiO2 가시광선 광촉매의 제조방법은, TiO2 나노분말 7.9 g을 증류수 200㎖에 첨가한 후 초음파를 이용하여 분산시켜 TiO2 나노분말 분산액을 제조하는 단계; WCl6를 ethanol에 첨가하여 얻어진 용액을 상기 TiO2 나노분말 분산액에 첨가한 뒤 충분히 혼합되도록 교반하는 단계; 혼합 용액을 건조 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조시켜 WO3-TiO2 복합물을 제조하는 단계; 및 상기 건조된 WO3-TiO2 복합물을 곱게 갈아준 뒤, 분당 5℃의 승온 속도로 500℃에서 1시간 동안 하소 과정을 거쳐 WO3-TiO2 나노분말을 제조하는 단계;를 포함하여 구성된다. 이상의 구성과 같은 본 발명의 효능을 실험하기 위하여 본 발명에 따른 실시예와, 비교예를 각각 제조하여 관능검사를 실시하였다. <실 험> 1. 실험 재료 이산화티타늄(TiO2) 나노분말은 대구사의 P25(평균 입경 21㎚)를 구매하여 사용하였다. Anhydrous ethanol(99.9%), distilled water(DW), tungsten chloride (WCl6, 99.9%)는 Sigma-Aldrich사를 통하여 구매하였다. 메틸렌 블루(97%)는 삼전화학에서 구입하였다. 2. 실험 방법 WO3의 전구체로서 WCl6를 사용하였으며, WCl6가 도핑된 TiO2 나노분말은 다음과 같은 방법에 의해 제조되었다. 먼저 TiO2 나노분말 7.9 g을 증류수 200㎖에 첨가한 후 초음파를 이용하여 분산시켜 TiO2 나노분말 분산액을 제조하였다. 그 후, 다양한 양의 WCl6를 ethanol 50㎖에 각각 첨가하여 얻어진 용액들을 위의 TiO2 나노분말 분산액에 첨가한 뒤 충분히 혼합되도록 교반을 진행하였다. 위의 혼합 용액을 건조 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조시켜 WO3-TiO2 복합물을 제조하였다. 건조된 WO3-TiO2 복합물을 막자사발을 이용하여 곱게 갈아준 뒤, 분당 5℃의 승온 속도로 500℃에서 1시간 동안 하소 과정을 거쳐 WO3-TiO2 나노분말을 제조하였으며, 이상의 제조공정을 도 1로 나타내었다. 한편 본 실험에 사용된 WCl6의 첨가량 변화를 표 1로 나타내었다. 분자량몰수질량몰비(Ti/W)WCl6396.54g/mol0.0001 mol0.04 g10000.001 mol0.397 g1000.003 mol1.191 g33.30.005 mol1.985 g20 삭제 3. 메틸렌 블루 광분해율 평가 WO3-TiO2 나노분말의 광활성을 확인하기 위해 각각 자외선 및 적외선 조사 하에 메틸렌 블루 분해율을 평가하였다. 먼저 5 ppm의 메틸렌 블루 수용액 100 ㎖에 WO3-TiO2 광촉매 분말을 0.5 g 투입하였다. 분말이 용액 내에 고르게 분산되도록 하기 위해 암막 환경 상태에서 30분 동안 용액을 교반하였다. 그후 자외선 및 적외선 램프를 용액으로부터 4 ㎝ 거리가 되도록 조정한 후, 300 rpm으로 교반 중인 상태에서 용액 중에 빛을 조사하였다. 일정 시간마다 4 ㎖씩의 용액을 채취하여 10분간 10,000 rpm 속도로 원심분리 함에 의해 상등액을 추출하였으며, 상등액은 Uv-vis spectrometer를 이용하여 664 ㎚ 파장의 흡수 피크를 분석하여 메틸렌 블루의 분해율을 평가하