TiO2/SiO2 투명박막제조 및 광촉매 활성

강진아, 임영언, 주현규*, 김종순*, 이태규*

충남대학교 재료공학과,

한국에너지기술연구소 태양에너지변환연구센터*

Photocatalytic activity of transparent SiO2/TiO2 thin film

Jin A Kang, Yeong Eon Ihm, Hyun Ku Joo*, Jong Soon Kim*, Tai Kyu Lee*

Department of Materials Engineering Chungnam National University

Photocatalysis and Photoelectrochemisty Research Center,

Korea Institute of Energy Research

서론

최근 들어 광화학 반응에 참여하는 광촉매를 이용한 환경정화기술이 활발히 진행되고 있으나, 이러한 연구의 대부분은 분말상태의 TiO2를 이용한 것으로 미세한 촉매분말의 회수문제 때문에 실용화단계에는 이르지 못하고 있다. 따라서 실용화를 위해서는 TiO2를 적당한 담체에 고정화시키는 기술이 필수적이다. 더불어 투명한 박막으로 고정화시킬 수 있다면 미관상 실생활에 적용할 수 있는 장점을 지니게 된다. 광촉매 활성을 증가시켜 주기 위해서는 빛에너지에 의해 형성된 전자와 정공의 재결합을 방지, redox potential의 크기를 증가시키거나, 비표면적을 증가시켜 임의의 산화 혹은 환원 중간체가 쉽게 흡착될 수 있게 한다[1-3]. 이러한 노력으로 TiO2에 (Fe, Mo, Zr etc)성분을 함께 composite 시키거나 SiO2 같은 물질로 표면을 개질하는등 다양한  방법으로 변화시켜 그 광학특성이나 촉매특성을 연구하고 있다.

본 연구는 sol-gel법을 이용하여 glass plate에 Ti, Ti/Si 투명한 박막을 제조하였고 SEM (Scanning Electron Microscopy)과 FTIR (Fourier Transform Infrared)분석으로 제조된 박막의 두께와 광촉매 활성을 TCE(trichloroethylene) 기상 분해로 측정하였다.

실험방법

1) Ti/Si투명박막 제조

TiO2의 전구체로는 Aldrich사의 TTIP(titaniumtetraisopropoxide)를 SiO2의 전구체로는 TEOS(tetraethylorthosilicate)를 이용하였다. 모든 졸에는 물을 첨가하지 않았으며 HCl, EtOH과 알콕사이드와의 몰농도비는 다음과 같다.

TTIP : TEOS : EtOH : HCl = 1: (0, 0.1, 1 and 10): 40 : 0.01

먼저 EtOH에 TTIP를 천천히 섞고 충분히 교반시킨후 TEOS(각각의 mol%별) 와 HCl을 첨가하고 하루정도 상온에서 교반한다. 그렇게 만들어진 졸을 유리판 지지체위에 dip 코팅(2cm/min)하고 450oC에서 10분 동안 열처리 수행하는 것을 6번 반복하였다.

2) 광촉매반응

반응에는 batch식 반응기(0.125 L)를 사용하였고 FTIR 분광기(BOMEN MB-Series)를 이용하여 측정할 수 있도록 설계되었다. 광원으로는 Xenon Lamp (450W ORIEL Co.)를 사용하였고 TCE 초기농도는 모든 실험에서 2000 mg/L가 되도록 조절하여 광촉매 반응을 수행하였다. TCE의 농도변화와 중간 생성물변화는 FTIR분광기로 분석하였다.

결과 및 고찰

Si 첨가량에 따른 Ti/Si박막의 두께와 표면을 SEM 사진으로 분석한 결과 같은 dip코팅 속도와 횟수로 코팅하였을 때, 순수 TiO2와 1%Si/Ti의 박막 두께는 각각 0.1□와 0.15□로 측정되어 Si의 첨가로 박막 두께가 증가되었고 H-series 연필로 박막의 경도를 측정한 결과 Si/Ti박막은 4H까지 안정하였다. 그리고 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 순수TiO2박막(Fig. 1a)과 1%Si(Fig.1b)가 첨가된 박막은 표면상태가 균일한 반면 10%(Fig. 1c)이상 SiO2가 첨가된 박막은 표면에 입자가 확연히 나타났다.

Fig. 2는 박막의 광촉매 활성을 보기 위해 기상의 TCE를 광반응 시간에 따라 분해되어 가는 과정을 FTIR 분석으로 나타내는데[4], 초기의 3개의 피크는 TCE(782, 845, 942cm-1)결합구조를 나타내는 피크들이고 1분 이내의 반응시간에 TCE가 분해되면서 주요 중간생성물인 dichloroacetyl chloride(Cl2CHCOCl, DCAC, 739, 803, 991cm-1)와 COCl2(858cm-1)가 나타나기 시작하였고 3분 광반응 후 TCE(942cm-1)피크가 사라진 것으로 보아 그 시간 내에 TCE는 분해되었음을 확인하여 박막의 광촉매 활성을 제시하였다. 그리고 이와 같은 방법으로 Si첨가량에 따라 광촉매 반응에 의한 기상 TCE 분해 속도를 측정한 결과 Fig. 3과 같이 1%si ≥ 0.1% ≥ 0% > 10%Si 순서로 광촉매 효율이 나타났다. 이는 si의 미량첨가( <1%) 할 때는 순수TiO2 보다 흡착 표면적을 넓혀 주며[5], 과량으로(10%< )Si를 첨가하였을 때는 비표면적은 증가하나 Fig. 1의 SEM 분석 결과에서와 같이 SiO2입자가 TiO2입자 표면을 덮고 있는 상태가 되어 광촉매 활성이 낮아지는 것으로 판단된다.

Reference

1. S. Ahuja, T.R.N. Kutty, J. photochemistry photobiology A: Chemistry, 97.            99(1996)

2. 송미란, 전명석, 이태규, 화학공학의 이론과 응용, 제 3권 1호, 849(1997)

3. S. satoh, K. susa and I. Matsnyama, J. Non-Crystal. solids, 146, 121 (1992)

4. J. S. Kim, K. Itoh, M. Murabayashi, Chemophere., vol 36, No. 3, 483-495(1998)

5. T. Kasuga, M. Hiramatsu, M Hirano, and A. Hoson J. Mater. Res., 12, 3,          607(1997)

(a)

(b)

(c)

Fig. 1 SEM image of Ti/Si thin film surface

(a : 0%Si, b : 1%Si, c : 10%Si)

Fig. 2 FTIR spectra taken during the photocatalytic degradation of C2HCl3 with light intensity of 6.57mW at 360 nm

Fig. 3 Photocatalytic degradation of 2000 ppm TCE Ti/Si thin film at different Si contents under Xenon Lamp