Fe/Co/Ti 광 촉매의 합성과 물 분해 성능

강미숙, 김종호, 이강규, 김제훈, 정승식, 윤기준

성균관대학교 화학공학과

Synthsis of Fe/Co/Ti catalyst and its photocatalytic performance for water decomposition

Misook Kang, Jong Ho Kim, Kang Kyu Lee, Je Hun Kim, Sung Sik Joung, and Ki June Yoon

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

Ⅰ. 서론

지구상에 매장되어 있는 석유와 천연가스의 양은 한정되어 있고 그 소비량은 기하 급수적으로 증가함으로써 21세기에 들어서면서 에너지 고갈이 예상되고 있다. 이미 미국과 일본을 비롯한 선진국들은 이러한 문제에 직면하기에 앞서 핵융합 에너지와 동력 에너지 등을 비롯한 새로운 대체에너지 개발에 박차를 가하고 있으며, 그 방안 중의 하나가 수소 에너지의 개발을 들 수 있는데 이상적인 무공해 재료인 수소는 축적이 가능하다면 전력보다도 유용한 21세기의 에너지원으로 자리 매김 할 것으로 여겨진다.

이러한 수소의 제조에는 C1 화학의 하나인 메탄올의 분해[1]와 물을 분해해서 얻을 수 있는데 이것은 그린 에너지 시스템을 구축하는 필수 불가결한 사실로 되고 있다. 특히, 광 촉매를 이용한 태양광에 의한 물의 광 분해는 환경, 자원에너지 문제 등의 면에서 유리한 수소 제조법으로 널리 연구되고 있다. 하지만 어떤 외부의 조건 없이 효율적으로 물을 분해 할 수 있는 계는 아직 없는 것으로 보여지며 이것은 광 흡수능과 전하분리특성, 밴드gab 에너지, 그리고 광 촉매 표면의 안정성 등 광 전극에 적용되는 모든 조건을 갖추고 있는 재료가 발견되지 않았기 때문이다. 현재 가장 성능이 좋은 광분해 재료로는 TiO2로써 안정하고 값싼 태양광을 이용하는 목적에 합당하지는 않지만 광 조사 하에서 극히 안정하고 또 광에 의해 생성된 정공의 반응성이 높아서 폭넓은 연구대상이 되고 있다[2].

한편, 최근에는 동경공업대학 연구팀에 의해 몇 가지의 산화물(Cu2O, NiO, Co3O4, Fe3O4)이 광 촉매 작용과는 다른 작용에 의해 물을 수소와 산소로 완전 분해한다는 결과를 발표하였다[3]. 이것은 기존의 광 촉매 작용의 메카니즘과는 달리 광 조사를 정지시켜도 물 분해 반응은 계속되며 특이하게도 교반을 멈추었을 때는 반응이 정지된다는 색다른 메카니즘을 선보이고 있다. 결국, 교반을 행함으로써 생기는 표면마찰에너지가 화학에너지로 변환되는 새로운 촉매시스템으로써 관심을 불러모으고 있다. 그러나 아직도 이러한 메카니즘 연구들은 미확인 분야이며 과학적으로 확실히 증명하지 못한 상태이다.

본 연구에서는 이들이 사용했던 Co3O4, Fe3O4에 TiO2를 혼합한 Co/Ti, Fe/Ti, Co/Fe/Ti 촉매를 합성하고, 고정상 반응기내에서 광에 의한 물 분해 반응을 행하여 그 결과를 비교하고자 한다. 또한, 이들 촉매들의 메탄올 분해성능을 조사하여 전극재료로써의 응용의 가치를 알아보고자 한다.

Ⅱ. 실험

1. Fe/Ti, Co/Ti, Fe/Co/Ti 촉매의 합성

본 연구에서 사용된 Metal/Ti 광 촉매는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 수열합성법[3]을 도입하여 3가지의 촉매를 제조하였다.

TiO2 원료로 사용된 TTIP(titanium tetra-isopropoxide)는 일본(주) Junsei Chemical 사의 특급시약을, metal precusor로 사용된 metal nitrate는 Fluka사의 특급시약을 용매 ethanol은 Carlo Erba사의 특급시약을 사용하였다.

얻어진 각각의 metal/Ti 촉매의 결정구조를 확인하기 위해 XRD 분석을, 얻어진 입자의 모양과 크기를 관찰하기 위하여 SEM 분석을 행하였다.

2. 촉매성능 비교

촉매의 성능을 비교하기 위해 Fig. 2와 같은 고정상 반응기를 설계하고, 각 촉매에 대해 광에 의한 물 분해 반응과 메탄올 분해반응, 그리고 물과 메탄올의 경쟁적 분해반응을 행하여 그 결과를 비교하였다. 이때 사용된 UV-lamp는 20W의 Hanavia사 제품을 사용하였고, 분해의 진행정도는 GC (TCD; porapark Q)로 분석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

Fig. 1은 Fe/Co/Ti 혼합 광 촉매 제조과정을 간단히 나타낸 것이다. 우선 Cobalt를 산화시키기 위해 H2O2로 처리 후 각 성분들을 순차적으로 혼합하였다. 각 성분들의 분산을 용이하게 하기 위해 2시간에 걸쳐 급속 교반을 행하였다. 균일하게 혼합된 용액을 autoclave에 넣은 후, 200℃에서 3시간 합성을 행하였다. 실온까지 완전히 식힌 후, 원심분리기를 이용하여 침전 분리하여 혼합촉매 분말을 얻었다. 이때 Cat. 1은 Fe/Ti 혼합 촉매를, Cat. 2는 Co/Ti 혼합 촉매를, 그리고 Cat. 3은 Fe/Co/Ti 혼합 촉매로 명명하였다.

제조한 혼합 촉매들의 결정형태를 알아보기 위하여 XRD 분석실험을 행한 결과를 Fig. 3 에 나타내었다. 모든 촉매에 대해서는 깨끗한 TiO2 anatase 결정 유사체가 얻어졌으며 peak의 강도로부터 Co를 함유한 경우가 Fe를 함유한 경우에 비해 결정화도가 증가됨을 알 수 있었다. 특히 Fe/Co/Ti의 경우 결정화도는 더욱 증가하였다.

Fig. 4는 SEM에 의해 관찰된 입자들을 비교한 결과이다. 모든 촉매에 대해서 결정입자가 불 균일하게 보여졌으며 이 결과로는 입자크기는 정확하게 비교 할 수 없었으나 불규칙한 입자의 크기가 Fe를 함유된 촉매에서 보다 적은 것을 알 수 있었다.

Ⅳ. 참고문헌

[1] T. Inui, K. Kitagawa, T. Takeguchi, T. hagiwara, and Y. Makino, Appl.       Catal., 94, 31 (1993).

[2] S.-Y. Lee, M. Kang, B.-W. Kim, G. Y. Han, and K. J. Yoon, J. Mol.          Catal., submitted.

[3] S. Ikeda, T. Takada, A. Tanaka, M. Hara, J. N. Kondo, H. Hosono, H.         Kawazoe, and K. Domen, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 2185 (1998).

250□ △flask									250□ △flask
↓ stirring ↓
100□ ethanol									Co(No3)2 0.1M
↓				stirring						↓
Fe(NO3)3 0.1M								1□ H2O2
↓					stirring			↓
↓							Homogeneous Solution
□									□
Homogeneous Solution
						↓
		Titanium triisopropoxide 1M
						↓stirring↓
	Final Gel Mixture
						↓
Thermal treatment in Autoclave at 200℃ for 2h
						↓
	Cooling and Washing
						↓
Separation Solution to Soild
						↓
			Drying at 100℃ for 24h
						↓
			Fe/Co/Ti powder

Fig. 1 Preparation of Fe/Co/Ti photocatalyst.

c)

Fig. 4 SEM images of synthesis.

a) Fe/Co/Ti, b) Fe/Ti, c) Co/Ti