열플라즈마를 이용한 Fe(Ⅲ)가 doped된 TiO2 광촉매 제조 및

acetaldehyde의 분해

김승세, 오성민, 박동화

인하대학교 화학공학과

Preparation of Fe(Ⅲ)-doped TiO2 Nanoparticles Using Thermal Plasma and Photodegradation of Acetaldehyde

Seung-se Kim, Seung-min Oh, Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University

서론

최근 나노구조에 대한 연구가 세계적으로 큰 관심을 모으고 있으며 시장 또한 급격히 성장하고 있다. 다양한 응용 분야를 가지는 초미립 복합재료에 대한 연구가 여러 가지로 진행되고 있고 특히 TiO2 분말은 탁월한 특성으로 화장품, 촉매, 세라믹, 첨가제 등으로 폭넓게 사용되고 있으며, 환경분야에서 광촉매의 응용에 관심을 모으고 있다[1,2,3]. 각종 산업 분야에서 사용되는 유기 용제의 배출은 대기, 수질, 토양, 해양 등에 많은 문제를 일으키고 있는데 특히 휘발성 유기 화합물(volitile organic compound)로 분류되는 유기 화합물들이 다양한 형태로 대기중에 존재하면서 심각한 환경문제를 유발시키고 있다. 이러한 물질을 분해하기 위한 광촉매로서, 주로 n-type 반도체의 특성을 지니고 있는 금속산화물이 이용되는데 그 중에서도 TiO2는 다른 촉매들에 비해 물리, 화학적으로 안정적이기 때문에 많이 사용되어지고 있다. 최근에는 재결합을 방지하여 광촉매반응 효율을 증가시키는 것과 bandgap energy를 낮추어 가시광선에 가까운 영역의 광에너지를 이용하고자 하는 것 등이 광촉매 연구의 주목받는 분야이다. 그러기 위해 촉매에 불순물(impurity ion)을 첨가함으로써 bandgap energy를 낮추고 전자를 트랩 할 수 있다[4].

본 연구에서는 이전의 TiO2 나노분말을 제조하던[5] 열플라즈마 장치를 이용하여 나노사이즈의 Fe(Ⅲ)가 doped된 TiO2 광촉매를 제조하고 입자크기, 상조성, Fe(Ⅲ)의 함량에 따른 VOCs의 분해 효율을 향상시켰다.

실험

Fe(Ⅲ)-doped TiO2의 제조시 원료물질로 액상 TiCl4 와 Iron(Ⅲ) acetylacetonate를 이용하였고 이 물질들은 Ar 가스로 bubbling되어 열플라즈마 반응기의 상부로 주입되었다.  플라즈마 발생가스로는 Ar (15□/min)을 사용하였으며 반응가스로는 O2를 사용하였다. 플라즈마 전력은 8□로 실험하였으며, 반응기에서 생성되어 포집한 분말은 XRD (PW 1710, Philips co.)와 SEM (Hitachi S-4200) 을 통해 분말의 상조성과 입경분포를 분석하였다. 제조된 Fe(Ⅲ)-doped TiO2 분말의 광분해 특성을 분석하기 위하여 acetaldehyde의 분해실험을 순환식 UV 반응장치를 사용하여 수행하였다. UV 반응장치의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. UV 반응장치는 acetaldehyde 혼합부, UV reactor, pump로 이루어져있다. 제조한 분말을 에탄올에 고르게 분산시켜 6개의 quartz관에 얇게 coating하여 UV에 노출하였다. UV lamp는 360 nm의 주파장대를 갖는 빛을 방사하는 100 W UV 형광등을 사용하였다. 반응기 내부온도는 약 70℃로 유지하고 운반 및 희석기체는 공기를 사용하여 농도는 약 600ppm으로 조절하였다. 반응기 내부로 도입된 기상 acetaldehyde는 reservoir에서 공기로 희석시킨 후 펌프로 충분히 순환시키면서 실험하였다. acetaldehyde의 농도변화는 Gas chromatography (Chrompack CP9001, FID)를 사용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2에서 제조된 Fe(Ⅲ)-doped TiO2의 TEM 분석 결과를 나타내었다. (a)는 5wt%, (b)는 10wt%의 Fe(Ⅲ)이 doping 되었으며 입자의 size는 30 nm에서 50 nm의 분포를 나타내고 구형의 입자들이 형성됨은 관찰할 수 있었다. Fig. 3은 XRD 피크의 분석결과를 나타내었다. 5wt%의 Fe가 doping 되었을 때에는 rutile 함량이 약 45%이고 10wt%의 Fe가 doping 되었을 때에는 약 35% rutile 함량을 나타내었다. Fe의 doping 함량이 증가할수록 rutile 상으로의 상전이가 감소함을 알 수 있었다.

Fig. 5에서는 제조한 분말의 광활성 실험에 의한 acetaldehyde의 분해 실험 결과를 나타내었다. Fe(Ⅲ)의 함량에 따른 분해 효과를 비교하기 위해 실험조건을 달리하여 만든 size는 비슷한 분포를 가지나 Fe가 doping 되지 않은 TiO2 와 5wt%, 10wt%의 Fe가 doping된 TiO2을 이용한 분해실험을 수행하였다. 그 결과  5wt%의 Fe가 doping된 TiO2와 doping 하지 않은 TiO2를 비교했을 때 비슷한 경향을 보이지만 분해율은 doping된 TiO2가 더 좋았으며 10wt%를 doping한 TiO2는 doping을 하지 않은 TiO2보다 분해율 뿐만 아니라 분해 속도도 우수한 것을 확인할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 1999년도 한국학술진흥재단의 연구비에 의하여 연구되었음(KRF-99-005-E00033)

참고문헌

1. M. N. Ritter and T. Abraham, □The Nanostructured Materials Industry", Am. Ceram. Soc. Bull., 76(6), 51-53(1997).

2. H. Gleiter, "Nanostructured Materials", Adv. Mater., 4(7/8), 474-481(1992)

3. Ron Dagani, "Putting The 'Nano' into Composites", C＊EN., 25-37(1999)

4. Jeon, H. J : "Catalyst", Hanrimwon, 73(1995).

5. Seung-Min Oh, Dong-Wha Park, □Production of ultrafine titanium dioxide by DC plasma jet", Thin Solid Films, 233-238(2001).

Fig. 1 Schematic diagram of photochemical reactor

Fig. 2 TEM photographs of the powders obtained at the different ratios of Fe(Ⅲ)

Fig. 3 XRD patterns of powders synthesized at various ratio of dopant Fe(Ⅲ)

Fig. 4  Photocatalytic decomposition efficiency of acetaldehyde (600 ppm) as a function of the ratio of

dopant Fe(Ⅲ)