WO2013176369A1 - 광촉매재, 그 제조 방법 및 광촉매 장치 - Google Patents

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정승문
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    • C01P2004/82—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases
    • C01P2004/84—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases one phase coated with the other

Definitions

  • a photocatalyst a method for producing the same, and a photocatalyst device.
  • Representative photocatalyst material TiO 2 has the advantages of excellent durability and wear resistance, a safe and nontoxic material, and low price.
  • the bandgap energy is so large that it can only absorb light below the ultraviolet ray, there is a limit to apply to the room, not the exterior material.
  • a photocatalyst comprising a porous first metal oxide film including a void and a second metal particle or a second metal oxide particle formed in the void.
  • the photocatalyst may have activity against visible light in the wavelength range of 380 nm to 780 nm.
  • An average diameter of the second metal particles and the second metal oxide particles may be about 1 nm to about 10 nm, respectively.
  • the porous first metal oxide layer may have a thickness of about 30 nm to about 100 nm.
  • the first metal oxide included in the first metal oxide film may include at least one selected from titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, niobium oxide, and a combination thereof.
  • the second metal particles and the second metal of the second metal oxide particles are tungsten, chromium, vanadium, molybdenum, copper, iron, cobalt, manganese, nickel, platinum, gold, cerium, cadmium, zinc, magnesium, calcium And at least one metal selected from strontium, barium, radium, and combinations thereof.
  • the photocatalyst may include a weight ratio of the sum of the weights of the second metal particles and the second metal oxide particles to the porous first metal oxide film of about 0.1: 99.9 to about 1:99.
  • the method includes depositing a porous first metal oxide film; Immersing the first metal oxide film in a precursor solution of a second metal, and then infiltrating the precursor solution of the second metal into an internal void of the porous first metal oxide film; And irradiating the porous first metal oxide film containing the precursor solution of the second metal in the internal voids to reduce the second metal to form particles of the second metal in the internal voids of the porous first metal oxide film. It provides a method for producing a photocatalyst comprising a.
  • the light irradiation may irradiate UV.
  • the first metal oxide film may be formed on a substrate by a sol-gel method using a first metal oxide precursor, or may be formed by applying a slurry containing a powder, a binder, and a solvent of the first metal oxide to the substrate.
  • the first metal oxide film is formed on a substrate by a sol-gel method using a first metal oxide precursor, or is formed by applying a slurry containing the first metal oxide powder, a binder, and a solvent, a heat treatment step is further performed.
  • the first metal oxide layer having crystallinity may be formed or the binder in the first metal oxide layer may be removed.
  • the method may further include heat treating the porous first metal oxide film having the second metal particles formed in the gap to oxidize at least a portion of the second metal particles to generate a second metal oxide.
  • a photocatalyst device including the photocatalyst is provided.
  • the photocatalyst can be applied to air cleaning, deodorizing or antibacterial applications.
  • the photocatalyst responds to visible light and has excellent photocatalytic efficiency.
  • Example 1 is a TEM photograph of a photocatalyst prepared in Example 1 of the present invention.
  • Example 2 is a TEM photograph of the photocatalyst prepared in Example 2 of the present invention.
  • Example 3 is a TEM photograph of the photocatalyst prepared in Example 3 of the present invention.
  • Figure 4 is a TEM photograph of the cross-section of the photocatalyst prepared in Example 1 of the present invention.
  • a photocatalyst comprising a porous first metal oxide film including a void and a second metal particle or a second metal oxide particle formed in the void.
  • a material known as a metal oxide that can be used as a photocatalyst can be used without limitation.
  • the second metal particles or the second metal of the second metal oxide particles may be any kind of metal that can be doped with the first metal oxide to impart activity to visible light to the photocatalyst without limitation.
  • the second metal may be, for example, a transition metal, a noble metal, or the like.
  • the photocatalyst may have activity against visible light as well as ultraviolet light and may absorb light over the entire visible light region. For example, it may be prepared to exhibit about 20% absorbance for visible light of about 400nm wavelength, and about 10% for visible light of about 500nm wavelength.
  • the photocatalyst is a substance capable of purifying air, deodorizing and antibacterial by generating superoxide anion or hydroxy radicals from electrons and holes generated from energy obtained by absorbing light.
  • superoxide anions or hydroxy radicals generated from the photocatalyst can decompose harmful environmental substances such as formaldehyde.
  • a separate ultraviolet light supply device may not be required.
  • the first metal oxide layer may include first metal oxide particles having an average diameter of about 20 nm to about 100 nm, specifically about 20 nm to about 50 nm, and more specifically about 20 nm to about 30 nm.
  • the first metal oxide particles may be formed in a fine nano size having a uniform particle size distribution according to a method of manufacturing a photocatalyst described below.
  • the photocatalyst may include a first metal oxide particle having a size in the above range, and may include a photocatalyst film having a large surface area and a uniform particle size to improve reactivity.
  • An average diameter of the second metal particles and the second metal oxide particles may be about 1 nm to about 10 nm, specifically, about 1 nm to about 5 nm.
  • the second metal particles and the second metal oxide particles may be formed in a nano size having a uniform particle size distribution according to a method of manufacturing a photocatalyst described later.
  • the photocatalyst may include the second metal particles and the second metal oxide particles evenly in the entire range of the first metal oxide film in the above range to further improve the activity efficiency for visible light.
  • a photocatalyst may be uniformly dispersed and distributed in the pores inside the entire porous first metal oxide film.
  • the photocatalyst may be further dispersed and distributed in the second metal particle and the second metal oxide particle in the entire porous first metal oxide layer to further improve the activity efficiency of visible light of the photocatalyst. .
  • the photocatalyst may include a weight ratio of the sum of the weights of the second metal particles and the second metal oxide particles to the porous first metal oxide film of about 0.1: 99.9 to about 1:99.
  • the porous first metal oxide layer may have a thickness of about 30 nm to about 100 nm.
  • the second metal and the second metal of the second metal oxide are tungsten, chromium, vanadium, molybdenum, copper, iron, cobalt, manganese, nickel, platinum, gold, cerium, cadmium, zinc, magnesium, calcium, straw At least one selected from lithium, barium, radium and combinations thereof.
  • the metal oxide included in the first metal oxide film may include at least one selected from titanium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, niobium oxide, and a combination thereof.
  • the method includes depositing a porous first metal oxide film; Immersing the first metal oxide film in a precursor solution of a second metal, and then infiltrating the precursor solution of the second metal into an internal void of the porous first metal oxide film; And irradiating the porous first metal oxide film containing the precursor solution of the second metal in the internal voids to reduce the second metal to form particles of the second metal in the internal voids of the porous first metal oxide film. It provides a method for producing a photocatalyst comprising a.
  • the above-described photocatalyst may be manufactured according to the photocatalyst manufacturing method.
  • the porous first metal oxide film may be formed on a substrate by a solution method.
  • the substrate may be a glass substrate.
  • the porous first metal oxide film may be deposited on a substrate by a sol-gel method using a first metal oxide precursor.
  • the solution containing the first metal oxide precursor may be coated in a sol form, dried to form a gel, and then selectively heat treated to form a film having crystallinity.
  • a solution containing the first metal oxide precursor such as metal alkoxide, alcohol, acid, etc. may be prepared and then hydrolyzed, and a sol may be obtained by dehydration and dealcohol, and then coated on a flat substrate.
  • the sol-gel method may be carried out according to known process conditions, and is not limited to specific conditions.
  • a slurry may be first formed by applying a slurry comprising a first metal oxide powder, a solvent, and optionally a binder, to a substrate.
  • Specific process conditions for forming the first metal oxide film by the slurry coating method may also be performed as known, and are not limited to specific conditions.
  • the binder is used to fix the first metal oxide on the substrate, and for example, a polymer resin, a silane compound, an inorganic binder, or the like may be used as the binder.
  • the slurry may be applied to a substrate to form a film, and then heat treatment may be selectively performed. In the case of using the organic binder, since the binder is removed during the heat treatment, crystallization and fixation are not possible. Therefore, the heat treatment may not be performed using the crystallized first metal oxide powder. Heat treatment may be performed for crystallization and fixation.
  • a heat treatment step It may be further performed to form the first metal oxide film having crystallinity.
  • the heat treatment step may be performed at a temperature increase rate of about 1 °C / min to about 2 °C / min.
  • the first metal oxide layer may be formed as first metal oxide particles having an average diameter of about 20 nm to about 30 nm by heat treatment at the temperature increase rate.
  • the porous first metal oxide film formed as described above is immersed in the precursor solution of the second metal, so that the precursor solution of the second metal is evenly penetrated into the pores of the porous first metal oxide film.
  • the precursor solution of the second metal is irradiated with light on the porous first metal oxide film contained in the internal voids, the second metal is reduced to form the second metal in the internal voids of the porous first metal oxide film. Particles are formed.
  • the second metal particles are doped into the first metal oxide formed into the film as a precursor solution of the second metal, the second metal particles can easily penetrate the entire inside of the first metal oxide film and can be evenly distributed and distributed. .
  • the second metal particles formed by light irradiation are also distributed and distributed evenly throughout the first metal oxide film.
  • the size of the second metal particles to be formed can be uniformly formed in a particle size distribution in nano size.
  • the precursor compound of the second metal that can be used in the precursor solution of the second metal is a material that can be reduced to the second metal by electrons excited by light irradiation, and a salt compound dissolved in an aqueous solution can be used without limitation.
  • a salt compound dissolved in an aqueous solution can be used without limitation.
  • nitrates, sulfates, chlorides, bromide and the like of the second metal may be used.
  • the light irradiation may be performed by specifically irradiating UV.
  • the doping amount of the second metal in the photocatalyst may be adjusted by adjusting process conditions such as light irradiation amount and light irradiation time during the light irradiation. For example, in order to increase the doping amount of the second metal, the light irradiation amount can be increased, and the light irradiation time can be increased.
  • the photocatalytic material manufacturing method further includes the step of thermally treating the porous first metal oxide film having the second metal particles formed in the pores to oxidize at least a portion of the second metal particles to generate a second metal oxide. can do.
  • the heat treatment step may be performed at a temperature increase rate of about 1 °C / min to about 2 °C / min.
  • the average diameter of the second metal particles and the second metal oxide particles may be about 1 nm to about 10 nm, respectively, by heat treatment at the temperature increase rate.
  • a photocatalyst device including the photocatalyst is provided.
  • the photocatalyst device may be manufactured, for example, as a device for air cleaning, deodorization, and antibacterial use.
  • a 10 wt% solution of titanium tetraisopropoxide is prepared using isopropyl alcohol as a solvent. After stirring for 30 minutes, a small amount of concentrated nitric acid was added to hydrolyze. After dehydration and dealcoholization by stirring for 30 minutes, TiO 2 sol was prepared.
  • the TiO 2 membrane was irradiated with UV light for about 30 minutes using a 20 W UV lamp in 0.01 wt% aqueous solution of H 2 PtCl 6 , and then doped with Pt in the TiO 2 membrane, and then started at room temperature (25 ° C.) at 1 ° C./min. After the temperature was raised to 600 ° C., heat treatment was performed for 10 minutes to prepare a photocatalyst.
  • a photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the TiO 2 film was formed by heat treatment at a temperature increase rate of 3 ° C./min.
  • a photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the TiO 2 film was formed by heat treatment at a temperature increase rate of 5 ° C./min.
  • a photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature increase rate after Pt doping was heat treated at 3 ° C./min.
  • a photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature increase rate was heat treated at 5 ° C./min after Pt doping.
  • Photocatalyst was prepared by the same method as TiO 2 porous membrane obtained before doping Pt in Example 1.
  • TiO 2 nanopowder with a particle size of 40 nm was dispersed at 1 wt% concentration using 0.01 wt% aqueous solution of H 2 PtCl 6, to prepare a TiO 2 slurry, and then irradiated with ultraviolet rays for 30 minutes while stirring it.
  • the TiO 2 particles and the filtrate were separated by filtration or centrifugation and dried to obtain Pt / TiO 2 powder. This was dispersed at a concentration of 10wt% and spin-coated to a thickness of 50nm on the borosilicate glass.
  • the particle size of the photocatalyst of Example 1-5 was measured by photographing a projection electron microscope (TEM), and the distribution range of the particle diameter size was visually evaluated and described in Table 1 below.
  • TEM projection electron microscope
  • Example 1 and 3 are TEM photographs of the photocatalyst of Example 1, Example 2 and Example 3, respectively.
  • Example 4 is a cross-sectional TEM photograph of the photocatalyst of Example 1, whereby the second metal particles (Pt particles) can be confirmed.
  • Table 1 Distribution range of the diameter of the first metal oxide particles [nm] Distribution range of the diameter of the second metal particle or the second metal oxide particle [nm] Example 1 20-30 1-10 Example 2 20-50 1-10 Example 3 20-100 1-10 Example 4 20-30 1-20 Example 5 20-30 1-30
  • Formaldehyde removal performance was evaluated for the photocatalysts of Example 1 and Comparative Examples 1-2. After installing the photocatalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in a 20L small chamber (ADTEC Co.), clean air having a formaldehyde concentration of 0.08 ppm was continuously flowed at a flow rate of 167 cc / min. Was 0.5 times / hr. A 10W white fluorescent lamp was used as the light source, and the illuminance was set to be 1000 lux. Formaldehyde removal rate was calculated by measuring the concentration before entering the chamber and after passing through the chamber is shown in Table 2 below. The concentration was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC, Agilent) by concentrating the amount for 10 L using a DNPH (2,4-dinitrophenylhydrazine) cartridge.
  • HPLC high performance liquid chromatography

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Description

광촉매재, 그 제조 방법 및 광촉매 장치
광촉매재, 그 제조 방법 및 광촉매 장치에 관한 것이다.
대표적인 광촉매 물질인 TiO2는 내구성, 내마모성이 우수하고, 안전하고 무독한 물질이며, 가격이 저렴하다는 장점을 갖는다. 반면, 밴드갭 에너지가 커서 자외선 이하의 빛만을 흡수할 수 있어 외장재가 아닌 실내에 적용하는 데에 한계가 있다.
이러한 측면에서 실내 적용을 목적으로 가시광선을 흡수할 수 있는 가시광선에 활성을 갖는 촉매에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 하지만, 수많은 연구 사례에서 일관된 경향을 찾기 어렵고, 특히 실제 거주 조건에서 성능이 검증된 결과를 찾기 어렵다.
본 발명의 일 구현예에서, 실내 광원에서도 효율이 우수한 가시광선 응답형 광촉매재를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 광촉매재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 광촉매재를 이용한 광촉매 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 공극을 포함하는 다공성의 제1 금속 산화물막 및 상기 공극 내부에 형성된 제2 금속 입자 또는 제2 금속 산화물 입자를 포함하는 광촉매재 제공한다.
상기 광촉매재는 380nm 내지 780nm 파장범위의 가시광선에 대하여 활성을 가질 수 있다.
상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균 직경이 각각 약 1nm 내지 약 10nm일 수 있다.
상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 두께는 약 30nm 내지 약 100nm일 수 있다.
상기 제1 금속 산화물막에 포함된 제1 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 제2 금속은 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트로니튬, 바륨, 라듐 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 광촉매재는 상기 제2 금속 입자과 제2 금속 산화물 입자의 중량의 총합 대 상기 다공성 제1 금속 산화물막 약 0.1:99.9 내지 약 1:99의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 다공성의 제1 금속 산화물막을 성막하는 단계; 상기 제1 금속 산화물막을 제2 금속의 전구체 용액에 침지시켜 한 후, 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 전구체 용액을 침투시키는 단계; 및 상기 제2 금속의 전구체 용액을 내부 공극에 함유한 상기 다공성의 제1 금속 산화물막에 광조사하여 상기 제2 금속이 환원되어 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 입자가 형성되는 단계;를 포함하는 광촉매재 제조 방법을 제공한다.
상기 광조사는 UV를 조사할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물막은 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막되거나, 또는 제1 금속 산화물의 분말, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 기판에 도포하여 성막될 수 있다.
상기 제1 금속 산화물막이 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막된 후, 또는 상기 제1 금속 산화물 분말, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 도포하여 성막된 후, 열처리 단계를 더 수행하여 결정성을 갖는 상기 제1 금속 산화물막을 형성하거나, 또는 상기 제1 금속 산화물막 내의 상기 바인더를 제거할 수 있다.
상기 공극 내부에 제2 금속 입자가 형성된 다공성의 상기 제1 금속 산화물막을 열처리하여 상기 제2 금속 입자의 적어도 일부를 산화시켜 제2 금속 산화물을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 광촉매재를 포함하는 광촉매 장치 제공한다.
상기 광촉매 장치 공기청정, 탈취 또는 항균 용도에 적용될 수 있다.
상기 광촉매재는 가시광선에 응답하며, 우수한 광촉매 효율을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 광촉매재의 TEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 광촉매재의 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 광촉매재의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 광촉매재 단면의 TEM 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 공극을 포함하는 다공성의 제1 금속 산화물막 및 상기 공극 내부에 형성된 제2 금속 입자 또는 제2 금속 산화물 입자를 포함하는 광촉매재를 제공한다. 상기 다공성 제1 금속 산화물막을 형성하는 제1 금속 산화물은 광촉매로서 사용될 수 있는 금속 산화물로서 공지된 물질이 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 제2 금속 입자 또는 상기 제2 금속 산화물 입자의 제2 금속은 상기 제1 금속 산화물에 도핑되어 상기 광촉매재에 가시광선에 대한 활성을 부여할 수 있는 종류의 금속이 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 제2 금속은 예를 들면, 전이 금속, 귀금속 등일 수 있다.
상기 광촉매재는 자외선뿐만 아니라 가시광선에 대하여도 활성을 가질 수 있으며 가시광선 전영역에 걸쳐 빛을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 약 400nm 파장의 가시광선에 대하여 약 20%의 흡광도를 나타낼 수 있고, 약 500nm 파장의 가시광선에 대하여 약 10%의 흡광도를 나타낼 수 있도록 제조될 수 있다.
상기 광촉매재는 광을 흡수하여 얻은 에너지로부터 생성된 전자와 정공이 수퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼 등을 생성함으로써 공기청정, 탈취, 항균 작용을 할 수 있는 물질이다. 예를 들어, 상기 광촉매재로부터 생성된 수퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼은 포름알데히드와 같은 유해 환경 물질을 분해할 수 있다. 한편, 상기 광촉매재는 가시 광선에 대하여 높은 흡수율을 가지어 실내 광원에서도 우수한 효율을 보일 수 있고 때문에, 별도의 자외선 공급 장치를 요하지 않을 수 있다.
상기 제1 금속 산화물막은 평균 직경이 약 20nm 내지 약 100nm, 구체적으로 약 20nm 내지 약 50nm, 보다 구체적으로 약 20nm 내지 약 30nm인 제1 금속 산화물 입자를 포함할 수 있다. 상기 제1 금속 산화물 입자는 후술되는 광촉매재의 제조 방법에 따라 입도 분포가 균일한 미세한 나노 사이즈로 형성될 수 있다. 상기 광촉매재는 상기 범위의 크기를 갖는 제1 금속 산화물 입자를 포함하여, 표면적이 넓고 입도가 균일한 광촉매막을 포함하여 반응성을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균 직경이 약 1nm 내지 약 10nm, 구체적으로, 약 1nm 내지 약 5nm일 수 있다. 상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자는 후술되는 광촉매재의 제조 방법에 따라 입도 분포가 균일한 나노 사이즈로 형성될 수 있다. 상기 광촉매재가 상기 제1 금속 산화물막 전체에 상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자를 상기 범위로 고르게 포함하여 가시광선에 대한 활성 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 후술되는 광촉매재의 제조 방법에 의하여 상기 다공성의 제1 금속 산화물막 전체 내부의 공극에 균일하게 분산되어 분포될 수 있다. 이와 같이 상기 광촉매재는 상기 다공성의 제1 금속 산화물막 전체 내부에 상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자를 균일하게 분산시켜 분포시킴으로써 상기 광촉매재의 가시광선에 대한 활성 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 광촉매재는 상기 제2 금속 입자과 제2 금속 산화물 입자의 중량의 총합 대 상기 다공성 제1 금속 산화물막 약 0.1:99.9 내지 약 1:99의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 두께는 약 30nm 내지 약 100nm일 수 있다.
상기 제2 금속 및 상기 제2 금속 산화물의 제2 금속은 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트로니튬, 바륨, 라듐 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 산화물막에 포함된 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 다공성의 제1 금속 산화물막을 성막하는 단계; 상기 제1 금속 산화물막을 제2 금속의 전구체 용액에 침지시켜 한 후, 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 전구체 용액을 침투시키는 단계; 및 상기 제2 금속의 전구체 용액을 내부 공극에 함유한 상기 다공성의 제1 금속 산화물막에 광조사하여 상기 제2 금속이 환원되어 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 입자가 형성되는 단계;를 포함하는 광촉매재 제조 방법을 제공한다.
상기 광촉매재 제조 방법에 따라 전술한 광촉매재를 제조할 수 있다.
상기 다공성의 제1 금속 산화물막을 성막하기 위하여 예를 들면 기판 상에 용액법으로 상기 다공성의 제1 금속 산화물막을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 다공성의 제1 금속 산화물막은 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막될 수 있다. 구체적으로, 제1 금속 산화물 전구체를 포함하는 용액을 졸 형태로 코팅한 후, 건조하여 겔 상으로 성막한 후, 선택적으로 열처리 단계를 수행하여 결정성을 갖는 막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 금속 알콕사이드 등과 같은 상기 제1 금속 산화물 전구체, 알코올, 산 등을 포함하는 용액을 준비한 뒤 가수분해하고, 탈수, 탈알콜을 통하여 졸 상태를 얻은 뒤 평판형 기판에 코팅할 수 있다. 상기 졸겔법은 공지된 공정 조건에 따라 수행될 수 있고, 특정한 조건으로 제한되지 않는다.
다른 구현예에서, 먼저, 제1 금속 산화물 분말, 용매 및, 선택적으로 바인더를 포함하는 슬러리를 기판에 도포하여 성막될 수 있다. 이와 같은 슬러리 도포법에 의한 제1 금속 산화물막을 형성하는 구체적인 공정 조건 역시 공지된 바에 따라 수행될 수 있고, 특정한 조건으로 제한되지 않는다. 상기 바인더는 제1 금속 산화물을 기판 위에 고정하기 위하여 사용되는 것으로서, 예를 들어 고분자 수지, 실란 화합물, 무기 바인더 등을 바인더로 사용할 수 있다. 상기 슬러리를 기판에 도포하여 성막한 뒤에 선택적으로 열처리를 더 수행할 수 있다. 유기 바인더를 사용하는 경우 열처리 수행시 바인더가 제거되기 때문에 결정화 및 고정이 불가하므로 이를 위해서 결정화된 제1 금속 산화물 분말을 사용하여 상기 열처리를 진행하지 않을 수 있고, 무기 바인더를 사용하는 경우 상기 열처리에 의해 결정화 및 고정을 위해 열처리를 수행할 수 있다.
상기와 같이, 상기 제1 금속 산화물막이 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막된 후, 또는 상기 제1 금속 산화물 분말 및 용매를 포함하는 슬러리를 도포하여 성막된 후, 열처리 단계를 더 수행하여 결정성을 갖는 상기 제1 금속 산화물막을 형성할 수 있다.
상기 열처리 단계는 약 1℃/min 내지 약 2℃/min의 승온 속도로 수행될 수 있다. 상기 승온 속도로 열처리하여 상기 제1 금속 산화물막이 평균 직경이 약 20nm 내지 약 30nm인 제1 금속 산화물 입자로써 형성될 수 있다.
상기와 같이 성막하여 형성된 다공성의 제1 금속 산화물막을 제2 금속의 전구체 용액에 침지시켜, 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 공극 내부로 상기 제2 금속의 전구체 용액이 고루 침투되게 한다.
이어서, 상기 제2 금속의 전구체 용액을 내부 공극에 함유한 상기 다공성의 제1 금속 산화물막에 광조사하면 상기 제2 금속이 환원되어 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 입자가 형성된다.
이와 같이 상기 제2 금속 입자는 제2 금속의 전구체 용액으로서 막으로 형성된 제1 금속 산화물에 도핑되기 때문에 상기 제1 금속 산화물막 내부 전체에 쉽게 고루 침투될 수 있고, 또한 고르게 분산되어 분포될 수 있다. 이를 광조사하여 형성된 제2 금속 입자 역시 상기 제1 금속 산화물막 내부 전체에 고르게 분산되어 분포하게 된다. 또한, 상기 방법에 의할 때, 형성되는 제2 금속 입자의 크기는 나노 사이즈로 입도 분포가 균일하게 형성 가능하다. 상기 방법으로 제2 금속 입자를 형성함으로써, 전술한 바와 같이 상기 광촉매재는 가시광선에 대한 활성 효율이 보다 우수할 수 있다.
상기 제2 금속의 전구체 용액에 사용될 수 있는 제2 금속의 전구체 화합물은 광 조사에 의해 여기된 전자에 의해 제2 금속으로 환원될 수 있는 물질로서, 수용액에 용해되는 염 화합물이 제한 없이 사용될 수 있고, 구체적으로, 제2 금속의 질산염, 황산염, 염화물, 브롬화물 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, Cu 전구체로서 Cu(NO3)2, CuSO4, CuCl2, CuCl 등이 있고, Pt 전구체로서 PtCl2, PtCl4, PtBr2, H2PtCl6, K2(PtCl4), Pt(NH3)4Cl2 등이 있고, Au의 전구체로서 AuCl, AuBr, Aul, Au(OH)2, HAuCl4, KAuCl4, KAuBr4 등이 있고, Pd의 전구체로서 (CH3COO)2Pd, PdCl2, PdBr2, Pdl2, Pd(OH)2, Pd(NO3)2, PdSO4 등이 있다.
상기 광조사는 구체적으로 UV를 조사하여 수행할 수 있다. 상기 광조사시 광 조사량, 광 조사 시간 등의 공정 조건을 조절하여 상기 광촉매재 내의 상기 제2 금속의 도핑량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제2 금속의 도핑량을 증가하기 위해서 광 조사량을 증가시키고, 광 조사 시간을 늘릴 수 있다.
상기 광촉매재 제조 방법은 상기 공극 내부에 제2 금속 입자가 형성된 다공성의 상기 제1 금속 산화물막을 열처리하여 상기 제2 금속 입자의 적어도 일부를 산화시켜 제2 금속 산화물을 생성하는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 열처리 단계는 약 1℃/min 내지 약 2℃/min의 승온 속도로 수행될 수 있다. 상기 승온 속도로 열처리하여 상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균 직경이 각각 약 1nm 내지 약 10nm으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 광촉매재를 포함하는 광촉매 장치를 제공한다. 상기 광촉매 장치는, 예를 들어, 공기청정, 탈취, 항균 용도의 장치로서 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예 1: Pt/TiO 2 의 제조
이소프로필알콜을 용매로 하여 티타늄 테트라이소프로폭사이드 10wt% 용액을 만든다. 이를 30분간 교반한 후 진한 질산을 소량 첨가하여 가수분해시켰다. 이 후 30분간 교반을 통해 탈수, 탈알콜시켜 TiO2 졸을 만들었다.
이를 스핀코터를 이용하여 보로실리케이트 글래스(borosilicate glass) 위에 코팅하고 TiO2의 결정화를 위해 상온 (25℃)에서 시작하여 시작하여 1℃/min의 속도로 승온하여 10시간에 걸쳐 600℃에 도달하고 그 후 600℃로 유지하며 10분간 소성하여 165mm*165mm 크기 및 50nm 두께의 TiO2 막을 제조하였다. 상기 TiO2 막을 H2PtCl6 0.01wt% 수용액에 20W UV 램프를 사용하여 UV를 30분 정도 조사하여 Pt를 상기 TiO2 막 내에 도핑한 뒤, 상온 (25℃)에서 시작하여 1℃/min의 속도로 승온하여 600℃ 도달 후 10분 동안 열처리 하여 광촉매재를 제작하였다.
실시예 2
승온 속도를 3℃/min로 열처리하여 TiO2 막을 형성한 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매제를 제작하였다.
실시예 3
승온 속도를 5℃/min로 열처리하여 TiO2 막을 형성한 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매제를 제작하였다.
실시예 4
Pt 도핑 후 승온 속도를 3℃/min로 열처리한 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매제를 제작하였다.
실시예 5
Pt 도핑 후 승온 속도를 5℃/min로 열처리한 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매제를 제작하였다.
비교예 1
실시예 1에서 Pt를 도핑하기 전에 얻어진 TiO2 다공성막과 동일한 방법으로 제조하여 광촉매재를 제조하였다.
비교예 2
입자 크기 40nm 수준의 TiO2 나노 분말을 H2PtCl6 0.01wt% 수용액을 이용하여 1wt% 농도로 분산시켜 TiO2 슬러리를 제조한 후 이를 교반하면서 자외선을 30분간 조사하였다. 이를 여과 또는 원심분리하여 TiO2 입자와 여액을 분리하고 건조하여 Pt/TiO2 분말을 얻었다. 이를 10wt% 농도로 수분산한 후 보로실리케이트 글래스 위에 50nm 두께로 스핀코팅하였다.
실험예 1
실시예 1-5의 광촉매재에 대하여 투사전자현미경(TEM) 사진을 찍어서 입자의 크기를 평가하였고, 육안으로 대략 입자 직경 크기의 분포 범위를 평가하여 하기 표 1에 기재하였다.
도 1, 도 2 및 도 3은 각각 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 광촉매재의 TEM 사진이다.
도 4는 실시예 1의 광촉매제의 단면 TEM 사진으로, 제2 금속 입자 (Pt 입자)를 확인할 수 있다.
표 1
제1 금속 산화물 입자의 직경의 분포 범위 [nm] 제2 금속 입자 또는 제2 금속 산화물 입자 직경의 분포 범위 [nm]
실시예 1 20~30 1~10
실시예 2 20~50 1~10
실시예 3 20~100 1~10
실시예 4 20~30 1~20
실시예 5 20~30 1~30
실험예 2
실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 광촉매재에 대하여 포름알데히드 제거 성능을 평가하였다. 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제작된 광촉매재를 20L 소형 챔버 (ADTEC사 제품) 내에 설치한 후, 0.08ppm의 포름알데히드 농도를 갖는 청정 공기를 167cc/min의 유량으로 지속적으로 흘려 환기 횟수가 0.5회/hr가 되도록 하였다. 광원으로는 10W 백색형광등을 사용하였으며, 조도가 1000lux가 되도록 설정하였다. 포름알데히드 제거율은 챔버에 들어가기 전의 농도와 챔버를 통과한 후의 농도를 측정하여 계산한 뒤 하기 표 2에 기재하였다. 농도는 DNPH (2,4-dinitrophenylhydrazine) 카트리지를 이용해 10L에 대한 양을 농축하여 고성능 액체크로마토그래피 (HPLC, Agilent사 제품)로 분석하였다.
표 2
구분 포름알데히드 제거율
실시예 1 50%
실시예 2 30%
실시예 3 25%
실시예 4 30%
실시예 5 25%
비교예 1 0%
비교예 2 20%

Claims (17)

  1. 공극을 포함하는 다공성의 제1 금속 산화물막; 및
    상기 공극 내부에 형성된 제2 금속 입자 또는 제2 금속 산화물 입자;
    를 포함하는 광촉매재.
  2. 제1항에 있어서,
    380nm 내지 780nm 파장범위의 가시광선에 대하여 활성을 갖는
    광촉매재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물막은 평균 직경이 20nm 내지 100nm인 제1 금속 산화물 입자를 포함하는
    광촉매재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 평균 직경이 각각 1nm 내지 10nm인
    광촉매재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 두께는 30nm 내지 100nm인
    광촉매재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물막에 포함된 제1 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
    광촉매재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 입자 및 상기 제2 금속 산화물 입자의 제2 금속은 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트로니튬, 바륨, 라듐 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는
    광촉매재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매재는 상기 제2 금속 입자과 제2 금속 산화물 입자의 중량의 총합 대 상기 다공성 제1 금속 산화물막 0.1:99.9 내지 1:99의 중량비로 포함하는
    광촉매재.
  9. 다공성의 제1 금속 산화물막을 성막하는 단계;
    상기 제1 금속 산화물막을 제2 금속의 전구체 용액에 침지시켜 한 후, 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 전구체 용액을 침투시키는 단계; 및
    상기 제2 금속의 전구체 용액을 내부 공극에 함유한 상기 다공성의 제1 금속 산화물막에 광조사하여 상기 제2 금속이 환원되어 상기 다공성의 제1 금속 산화물막의 내부 공극에 상기 제2 금속의 입자가 형성되는 단계;
    를 포함하는 광촉매재 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광조사는 UV 조사하는
    광촉매재 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물막은 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막되거나, 또는 제1 금속 산화물의 분말, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 기판에 도포하여 성막되는
    광촉매재 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 산화물막이 제1 금속 산화물 전구체를 이용하는 졸겔법에 의해 기판 상에 성막된 후, 또는 상기 제1 금속 산화물 분말 및 용매를 포함하는 슬러리를 도포하여 성막된 후, 열처리 단계를 더 수행하여 결정성을 갖는 상기 제1 금속 산화물막을 형성하거나, 또는 상기 제1 금속 산화물막 내의 상기 바인더를 제거하는
    광촉매재 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 1℃/min 내지 2℃/min의 승온 속도로 수행되는
    광촉매재 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 공극 내부에 제2 금속 입자가 형성된 다공성의 상기 제1 금속 산화물막을 열처리하여 상기 제2 금속 입자의 적어도 일부를 산화시켜 제2 금속 산화물을 생성하는 단계를 더 포함하는
    광촉매재 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 1℃/min 내지 2℃/min의 승온 속도로 수행되는
    광촉매재 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 광촉매재를 포함하는 광촉매 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    공기청정, 탈취 또는 항균 용도에 적용되는
    광촉매 장치.
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