In-situ FT-IR을 이용한 TiO2 광촉매 산화반응 메카니즘의 규명

이상현, 차혜연, 강미숙, 정찬화

성균관대학교, 화학공학과

An in-situ FT-IR Study on the Reaction Mechanism of

TiO2-mediated Photocatalytic Oxidation of Acetone

Sang-Hyun Lee, Hae-Yeon Cha, Misook Kang, and Chan-Hwa Chung

Dept. of Chemical Engineering, Sungkyunkwan Univ., suwon 440-746, Korea

Ⅰ. 서론

각종 산업분야에서 사용되는 유기 용제의 배출은 산업발전에 기여함과 동시에 대기, 수질, 토양, 해양 등에 많은 문제를 야기 시키고 있는데, 특히 난 분해  휘발성 유기물질(Volatile Organic Compound)로 분류되는 유기화합물들이 다양한 형태로 대기 중에 존재하면서 심각한 환경문제를 유발시키고 있다.

이러한 환경문제가 인류최대의 중점과제로 떠오르면서, 1980년대 후반에 들어와서는 미국과 일본을 비롯한 선진국을 중심으로 반도체 금속산화물을 광 촉매로 이용하여 이들 유기물질을 환경 친화적으로 처리 하고자 하는 움직임들이 활발히 일어나고 있다. 이러한 연구들 중에는 산화티타늄/UV process 분야가 압도적으로 많고, 그 성능 또한 기존의 흡착, 화학처리, Air Stripping, 소각 등의 환경처리 방법과 비교하여 뛰어나며 2차 오염발생이 거의 없어 앞으로 보편화의 가능성을 시사하고 있다.

TiO2 와 같은 반도체 금속산화물들은 고유한 bandgap energy(Eg)보다 큰 에너지를 받게 되면 valence band의 전자(e-)가 여기되어 conduction band로 전이되고, valence band 에는 정공(h+)이 생성되어 이들이 TiO2 입자의 표면으로 이동하게 된다. 이때 TiO2 입자표면에 있는 물이나 OH- 등과 h+가 반응하여 OH 라디칼을 생성하게 되고 이들 입자표면에 흡착되어 있는 유기물을 산화하여 CO2, HCl과 H2O 등의 물질로 변화하게 된다.

하지만,  아직까지 명확한 광 촉매 반응 메카니즘은 확실하게 규명되어 있지 않다. 특히, 광 촉매 반응에 참여하는 O2와 H2O의 영향에 대해서 Peral과 Ollis[1, 2]는 gas phase의 O2, CO2, H2O의 존재 하에서  TiO2위에 흡착된 광 촉매의 광 산화 반응은 Langmuir Hinshelwood kinetic rate mechanism을 따라 반응이 일어나고 intermediate가 존재하지 않는다고 보고하고 있지만, 반대로 Larson[3]은 완전한 산화 반응이 일어나기 전에 suface intermediate를 형성할 것이라고 보고했다.

따라서 본 연구에서는 광 존재 하에서 TiO2 표면에서의 surface-bound와 gas-phase intermediates를  알아내는데 매우 효과적인 in-situ transmission FT-IR study을 이용하여 여러 VOC들의 광 촉매 산화반응의 메카니즘을 규명하고 TiO2 촉매활성에 미치는 O2와 H2O의 영향을 알아보고자 한다.

Ⅱ. 실험

본 연구에서 사용된 산화티타늄 광 촉매는 시중에 시판되고 있는 Degussa P-25 고체분말 촉매를 얇은 pellet형태로 성형한 후 사용하였다.

그림1은 실험을 위해 quartz로 자체 제작한 FT-IR cell을 간략히 나타낸 것이다. In-situ FT-IR 실험을 행하기에 앞서, cell 내부의 압력조절을 위해 rotary pump를 연결하였으며, 이 때 FT-IR cell의 압력은 2×10-2mTorr 이하의 진공도를 유지하였다. 제작된 in-situ FT-IR cell을  narrow band MCT detector가 장착된  JASCO FT-IR sample compartment 안에 장착하였다.

준비한 시료를 in-situ FT-IR cell에 넣은 후, 촉매 상에 흡착된 H2O분자나 O2분자의 영향을 제거하기 위해, 673K에서 2시간 동안 가열하였다. 한편,m 여러 가지 VOC 물질중에서 본연구에서는 분해 반응 후에 이산화탄소의 C-O peak가 뚜렷하게 나타나리라 예상되는 Acetone을 사용하였다. Acetone은 광촉매상에 흡착 시키기전에 불순물을 제거하기 위해 freeze-pump-thaw cycle법으로 정화 하였다. 본 연구에서는 특히 O2와 H2O가  광 촉매 산화반응 메카니즘에 어떻게 작용하는지를 알아보기 위하여, O2와 H2O를 주입하지 않았을 경우의 아세톤의 분해 메카니즘과, O2와 H2O를 첨가시킬 경우의 분해 메카니즘을 비교하고자 하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

그림 2는 Degussa P-25 촉매를 사용해서 O2를 공급하지 않았을 때의 Acetone 분해반응 실험을 행한 결과의 FT-IR spectrum을 나타낸 것이다. 그림에서 보여지는 것처럼 시간이 경과하여도 IR band에 큰 변화가 보이지 않고 있다. 이는 O2가 공급되지 않을 경우 광 촉매 산 화반응이 진행되지 않는다는 것을 알 수 있다.

한편, 그림 3은 O2를 공급한 후 Acetone 분해반응을 행한 결과의  FT-IR spectrum이다. 그림 2의 결과와는 다르게 2400 cm-1부근의 CO2의 peak가 시간이 지날수록 커지는 것이 관찰되었다. 이 결과로부터 O2가 광 촉매 산화과정에서 중요한 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 감사

본 연구는, 성균관 대학교 화학공학과 BK21사업 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사를 드립니다.

Ⅴ. 참고논문

[1] Peral, J., and Ollis, D. F., J. Catal., 136, 554 (1992)

[2] Lichtin, N. N., Avudaithai, M., Berman, E., and dong, J., Res. Chem.            Intermed., 20, 755 (1994)

[3] Larson. S. A., Widegren, J. A., and Falconer, J. L., J. Catal., 157, 611          (1995)

[4] M. El-Maazawi, A. N Finken, A. B Nair, and V. H. Grassian, Journal of      Catalysis, 191, 138 (1999).

Fig.1. Apparatus of FT-IR cell for in-situ FT-IR experiment.

Fig.2. In-situ FT-IR spectra obtained during the UV exposure in vacuum.

Fig.3. In-situ FT-IR spectra obtained during the photocatalytic Decomposition of acetone on TiO2 in oxygen environment.