신규 $Nb_2Zr_6O_{17-x}N_x$ 광촉매를 고상합성법처리(solid state synthesis) 후 암모니아가스($NH_3$)에 의한 기상처리법(ammonolysis)으로 합성하였다. 합성된 신규 광촉매 및 이를 다시 Pt 및 $RuO_2$를 도핑 하여 $H_2S$를 광분해하여 수소를 발생 실험을 수행하였다. 이 신규 oxynitrid계 광촉매는 가시광하에서 $H_2S$를 광분해하여 수소를 발생하는(Quantum yield = 13.5 %) 우수한 광촉매 활성을 보여주었다.
본 연구에서는 UV 광을 이용하여 CO, C2H5OH 및 H2S에 해당하는 오염물질을 제어하기 위한 광촉매 연구를 수행하였다. 제조된 촉매들이 동일한 체적 및 표면적의 경우에는 촉매 구조 내부까지 UV 광이 조사될 수 있는 구조에서 우수한 반응활성을 보였다. 하지만 이러한 광촉매 TiO2의 CO에 대한 반응활성은 매우 저조하였으며, 이는 귀금속 계열의 Pt를 첨가하여 환원공정을 수행함으로써 해결할 수 있다. 특히 이러한 Pt/TiO2 광촉매는 환원공정을 통하여 표면 Pt0의 종의 생성 및 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 CO의 반응활성이 우수해 짐을 확인하였다.
막 반응기(membrane reactor)는 365 nm 의 파장을 갖는 UV를 담체튜브 및 코팅막에 조사시켜 막 표면에서 유기물의 산화반응이 일어날수 있도록 고안하였으며 일차적으로 formic acid의 산화효율을 측정하였다. 코팅된 담체는 코팅하지 않은 담체에 비해 flux가 상당히 저하하는 반면에 formic acid의 산화효율은 이에 비례하여 증가하였다. 또한 본 실험의 결과로부터 수처리공정에서 문제시되는 난분해성 유기물질의 산화분해처리에 대한 광촉매 막의 응용성을 제시하고자 한다.
광촉매 특성을 지닌 $TiO_2$ 피막을 인가 전압 180 V에서 양극산화법을 이용하여 제조하고, 산화조건에 따른 구조적 차이에 대하여 조사하였다. 황산 및 황산+과산화수소 용액의 경우 $TiO_2$의 구조가 rutile과 anatase형이 혼합된 형태를 지녔으나, 황산+인산 및 황산+인산+과산화수소 혼합용액의 경우에는 대부분 anatase형의 $TiO_2$가 제조되었음을 알 수 있었다. 양극산화법에 의해 제조된 $TiO_2$는 모두 광촉매 특성율을 나타냈으며, 아닐린 블루 분해 반응의 경우 모든 산화 조건에서 반응차수가 1로 나타났으며 속도상수값이 거의 유사함을 알 수 있었다.
이 논문은 DMFC와 태양전지의 하이브리드형 연료전지에 적합한 $TiO_{2}$구조에 대한 연구로서, DMFC에 사용되는 귀금속 Pt의 사용량을 줄이기 위해 Pt를 $TiO_{2}$광촉매 지지체에 함침 시켜 UV가 조사될 때 Pt의 활성을 극대화시키기 위한 연구이다. $TiO_{2}$는 Rutile결정 구조를 이루었으며, 반응 시간에 따라 나노막대 모양을 형성하였다. $NaBH_{4}$ 환원법을 통해 Pt를 함침 시켜 전극을 제조하였다. 이 전극들은 UV가 입사되지 않을 때보다 UV가 입사될 때 메탄올 산화성능이 주목할 만큼 향상되었다. 특히 긴 막대모양의 $TiO_{2}$에 백금이 잘 분산된 촉매의 메탄올 산화반응 성능이 크게 향상되었다. 이러한 $Pt/TiO_{2}$의 주목할 만한 성능 향상은 UV가 조사될 때 빛에 의해 생성된 $TiO_{2}$의 hole들에 의해 메탄올 산화반응이 향상된 것으로 사료된다.
국내 원전에서 증기발생기 세정 후 발생되는 Fe-EDTA 함유 폐액 처리를 위한 초임계수 산화공정 (Supercritical Water Oxidation Process), 광촉매 산화 공정 (Photocatalyst Oxidation Process) 및 DBD 상온 플라즈마 공정 (Dielectric Barrier Discharge Atmospheric Pressure Plasma Process)이 평가되었다. 초임계수 산화 공정에 의해 99.98 %이상의 EDTA 전환율을 나타내어 EDTA 처리를 위한 효과적인 반응공정임을 확인하였으나 공정의 안정성, 부식 방지대책 등이 마련되어야 할 것으로 판단된다. 광촉매산화공정으로는 10 % 정도의 낮은 EDTA전환율을 보여 세정폐액 처리 공정으로는 부적합한 것으로 나타났다. DBD를 이용한 Methylene Blue 분해 결과 저 에너지 소비율로 높은 유기물 분해 효율을 얻을 수 있었으나 실 EDTA 공정에의 적용 및 공정 규모 확장 등에 대한 향후 연구 평가가 필요한 것으로 사료된다.
광촉매 연구의 초기는 태양에너지의 전환 및 저장에 관련된 분야들로부터 개발되어 왔다. 최근에는 광 또는 광촉매의 존재 하에서 자외선을 조사하여 물의 정제 및 폐수처리와 각종 유기화합물의 분해연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한 산화물질-카본나노튜브, 그래핀 나노복합체 등이 광촉매물질로서 연구되고 있다. 이와 같은 복합체는 열적, 화학적으로 안정하기 때문에 플렉서블 소자를 포함한 광분해 태양전지 및 나노전자 소자를 구성하는 재료로서 적당하다.
고도산화방식(AOPs: Advanced Oxidation Processes)을 이용한 수질 및 공기오염물질 처리 관련 연구가 국내에서 지난 수년간 다수 진행되었으며 현재도 진행되고 있다. 특히 근래에는 공기오염물질 처리에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이는 향후 시행될 실내공기질 규제에 많은 관심이 집중되고 있기 때문인 것으로 보인다. 공기처리, 특히 실내공기 처리에 적용될 가능성이 있는 기존의 방법들 중에서 플라즈마와 광촉매반응(Ollis, 1993)이 가장 적용 타당성이 높은 것으로 판단된다. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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