KR100769481B1 - Synthetic method of titanium dioxide photocatalysts to change crystal structure by low heat treatment - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 본 발명에 적용되는 티타늄 하이드록사이드의 합성공정을 나타낸 흐름도1 is a flow chart showing the synthesis process of titanium hydroxide applied to the present invention
도2는 본 발명에 적용되는 저온 소성공정에 의해 이산화티타늄 광촉매의 합성공정을 나타낸 흐름도Figure 2 is a flow chart showing the synthesis process of titanium dioxide photocatalyst by low temperature firing process applied to the present invention
도3은 본 발명에 적용되는 이산화티타늄의 다양한 결정구조를 XRD로 분석한 스펙트럼3 is an XRD spectrum of various crystal structures of titanium dioxide applied to the present invention.
도4는 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄 광촉매에 의한 자외선 하에서의 100 ㎎/L 농도의 congo red의 분해율을 나타낸 그래프4 is a graph showing the decomposition rate of congo red at a concentration of 100 mg / L under ultraviolet light by a titanium dioxide photocatalyst having various crystal structures applied to the present invention.
도5는 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄 광촉매에 의한 가시광선 하에서의 50 ㎎/L 농도의 congo red의 분해율을 나타낸 그래프5 is a graph showing the decomposition rate of congo red at 50 mg / L concentration under visible light by titanium dioxide photocatalyst of various crystal structures applied to the present invention.
도6은 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄의 band gap 에너지를 확인하기 위해 UV-Vis DR로 분석한 스펙트럼FIG. 6 is a spectrum analyzed by UV-Vis DR to confirm band gap energy of titanium dioxide having various crystal structures according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Main Parts of Drawings *
100. 제1공정 200. 제2공정100.
300. 제3공정 400. 제4공정300.
500. 제5공정 600. 제6공정500. The
본 발명은 저온 열처리에 의해 결정구조가 변환되는 이산화티타늄 광촉매의 합성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 400℃ 이하의 온도에서 열처리하여 이산화티타늄 광촉매를 합성하되, 출발물질인 할로겐화 티타늄, 물 및 황산염의 몰비를 조절하여 이산화티타늄의 결정구조를 반응조건에 따라 변환할 수 있도록 한 저온 열처리에 의해 결정구조가 변환되는 이산화티타늄 광촉매의 합성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for synthesizing a titanium dioxide photocatalyst in which the crystal structure is converted by low temperature heat treatment, and more particularly, to synthesize a titanium dioxide photocatalyst by heat treatment at a temperature of 400 ° C. or less, starting materials titanium halide, water and sulfates. The present invention relates to a method for synthesizing a titanium dioxide photocatalyst in which the crystal structure is converted by low temperature heat treatment to control the molar ratio of and convert the crystal structure of titanium dioxide according to reaction conditions.
일반적으로 광촉매(Photocatalyst)는 빛(Photo)과 촉매(catalyst)의 합성어로, 빛을 이용한 촉매 혹은 광반응을 가속시키는 촉매의 의미로, 빛을 에너지원으로 하여 촉매반응을 진행시키는 물질을 말하는데, 이러한 광촉매로는 반응에 직접 참여하여 소모되지 않으면서도 기존의 광반응과는 다른 매커니즘을 제공하여 반응속도를 가속시킬 수 있는 일반적인 촉매로의 기본 조건을 만족함은 물론 발현하고자 하는 물질에 빛을 조사하였을 때 자외선을 흡수하여 강한 환원력과 산화력을 가질 수 있는 반도체성 금속 산화물이나 황화합물이 주로 이용된다.In general, a photocatalyst is a compound word of photo and a catalyst, which means a catalyst using light or a catalyst for accelerating a photoreaction, and refers to a material that promotes a catalytic reaction using light as an energy source. These photocatalysts not only consumed by directly participating in the reaction, but also provided a mechanism different from the existing photoreaction, satisfying the basic conditions as a general catalyst to accelerate the reaction rate, and irradiating light to a material to be expressed. In this case, semiconducting metal oxides or sulfur compounds which absorb ultraviolet rays and have strong reducing power and oxidizing power are mainly used.
이러한 광화학 반응을 유발시키는 필수적인 역활을 하는 광촉매 반응에 가장 많이 적용되고 있는 금속산화물이 이산화티타늄인데, 상기 이산화티타늄의 광촉매 반응 메카니즘에 대해 살펴보면, 일반적인 금속산화물과 달리 이산화티타늄과 같은 반도체 물질들은 에너지적으로 서로 겹쳐지지 않는 두 개의 준위(band)를 지니고 있는 것으로 특징지어 지는데, 이산화티타늄 광촉매 표면에 빛을 조사하게 되면, 이산화티타늄 기저준위(valence band)에 있는 전자가 들뜬준위(excited band)로 전이(transition)하게 되고, 기저준위에는 전자가 비어 있는 정공(positive hole)을 생성하게 된다.The most widely applied metal oxide for photocatalytic reactions, which plays an essential role in inducing photochemical reactions, is titanium dioxide. In contrast to the photocatalytic reaction mechanism of titanium dioxide, semiconductor materials such as titanium dioxide are energetic unlike general metal oxides. It is characterized by having two bands that do not overlap each other. When light is irradiated on the surface of the titanium dioxide photocatalyst, the electrons in the titanium dioxide valence band are transferred to the excited band. This creates a positive hole at the ground level, with electrons empty.
이 때, 전자가 전이되는데 필요한 광에너지는 두 에너지 준위차에 해당되며, 이산화티타늄의 결정구조에 따라 아나타제(anatase) 구조는 3.2 eV이고, 루타일(rutile) 구조는 3.0 eV에 해당하고, 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄은 고온 열처리에 의해 제조됨으로 비표면적이 작고 입자크기가 큼으로 표면에서 반응을 일으키는 광촉매 소재로 적합하지 않은 반면에 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄의 경우 비표면적이 넓고 이로 인해 표면 광반응을 일으킬 수 있는 활성자리가 루타일(rutile) 구조에 비해 우수함으로 현재 대부분의 광촉매용 이산화티타늄은 아나타제(anatase) 구조가 사용되고 있으며, 이 경우 400 nm 이하의 자외선을 조사시켜줘야 광반응을 개시할 수 있다.At this time, the light energy required to transfer electrons corresponds to two energy levels, and according to the crystal structure of titanium dioxide, the anatase structure is 3.2 eV, the rutile structure corresponds to 3.0 eV, and the ruta Titanium dioxide with rutile structure is manufactured by high temperature heat treatment, so its specific surface area is small and its particle size is large, so it is not suitable as a photocatalyst material that reacts on the surface, whereas titanium dioxide with anatase structure has a specific surface area. Since the active site which is wide and can cause surface photoreaction is superior to rutile structure, most of titanium dioxide for photocatalyst is using anatase structure, and in this case, UV light below 400 nm should be irradiated. Photoreaction can be initiated.
상기 이산화티타늄은 광촉매로서 가장 널리 활용되고 있지만 근래에는 초친수성 매개체로서의 응용도 활발히 진행되고 있는데, 상기 이산화티타늄이 빛을 받지 않은 상태에서는 표면이 소수성 특성을 가지지만 400 nm 이하의 자외선이 조사되면 기저상태의 전자가 들뜬상태로 전이하게 됨으로 분극이 일어나게 되고, 이 전자 분극에 의해 이산화티타늄 표면은 소수성에서 친수성으로 전환되는데, 이러한 특성을 사용하여 습기가 많은 화장실 등의 거울, 자동차 백미러 및 기타 유리제품 의 김서림방지제로써 상용화가 가능하다.Titanium dioxide is most widely used as a photocatalyst, but in recent years, its application as a superhydrophilic medium has been actively progressed. The surface of the titanium dioxide is hydrophobic in the state in which the titanium dioxide is not illuminated, Polarization occurs as the electrons in the state transition to excited state, and the electron polarization converts the titanium dioxide surface from hydrophobicity to hydrophilicity. Can be commercialized as an anti-fog agent.
상기 이산화티타늄은 내화학성, 내식성 등 물리화학적인 물성이 뛰어남으로 광촉매로 응용되기 전부터 페인트의 백색 안료로 활용되고 있으며, 페인트 안료로 사용되는 경우 내화학성 및 백색도가 좋아야 하기 때문에 일반적으로 이산화티타늄 결정구조 중 가장 안전한 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄을 사용하는데, 상기 이산화티타늄의 또 다른 대량 소비처로는 화장품의 원료로 사용되어 지고 있으며, 여성용 파운데이션 역시 백색도가 좋은 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄을 원재료로 사용하며, 자외선 차단제의 경우에도 자외선 흡수가 빠르고 색도가 뛰어난 루타일(rutile)구조의 이산화티타늄이 사용되고 있다.The titanium dioxide has been utilized as a white pigment of paint before being applied as a photocatalyst due to its excellent physical and chemical properties such as chemical resistance and corrosion resistance. Among the safest rutile titanium dioxide, another mass consumer of titanium dioxide is used as a raw material for cosmetics, and the women's foundation is also made of rutile titanium dioxide with good whiteness. Is used as a raw material, and even in the case of a sunscreen, titanium dioxide having a rutile structure having fast UV absorption and excellent color is used.
상기 이산화티타늄의 경우 적용분야에 따라 요구되는 결정구조가 달라지게 되는데, 광촉매용 및 초친수성 제품으로 이산화티타늄을 적용하기 위해서는 일반적으로 아나타제(anatase) 구조 및 아나타제/루타일(anatase/rutile)의 혼합구조를 사용하고, 이산화티타늄의 내화학성, 내식성, 물리화학적인 물성 및 UV 차단제로의 제품 적용은 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄을 사용하게 되는데, 이는 이산화티타늄의 아나타제(anatase) 구조 및 루타일(rutile) 구조간의 물리적인 특성 차이에 기인한다.In the case of titanium dioxide, the crystal structure required varies depending on the application field. In order to apply titanium dioxide as a photocatalyst and a superhydrophilic product, an anatase structure and an anatase / rutile mixture are generally used. Using the structure, and the application of titanium dioxide to chemical resistance, corrosion resistance, physicochemical properties and UV blocker, the use of rutile titanium dioxide, which is the anatase structure and ruta of titanium dioxide This is due to the difference in physical properties between the rutile structures.
종래의 이산화티타늄은 루틸광, 일메나이트, 염화 티타늄 및 티타늄 알콕사이드 등을 출발물질로 하여 산성에서 가수분해를 통해 이산화티타늄 침전물을 합성하고, 이를 400℃에서 1000℃ 사이의 온도에서 소성하여 순수한 이산화티타늄을 합성한다.Conventional titanium dioxide synthesizes titanium dioxide precipitate through hydrolysis in acid using rutile ore, ilmenite, titanium chloride and titanium alkoxide as starting materials, and calcined at a temperature between 400 ° C. and 1000 ° C. to pure titanium dioxide. Synthesize
하지만 졸겔법 및 가수분해법에 의한 이산화티타늄 합성법의 경우 순수한 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄을 제조하기 위해서는 700℃ 이상에서 열처리해야만 하는데, 이러한 고온 열처리공정은 열처리 온도가 높아짐에 따른 생산단가가 상승하게 되고, 인접한 입자들간의 상호 뭉침에 따라 비표면적 감소에 의한 촉매 활성 저하 등과 같은 여러 문제점이 있다.However, in the case of the synthesis of titanium dioxide by the sol-gel method and the hydrolysis method, in order to manufacture pure titanium tiles, the heat treatment must be performed at 700 ° C. or higher. As a result of agglomeration between adjacent particles, there are various problems such as a decrease in catalytic activity due to a reduction in specific surface area.
본 발명은 상기의 종래 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 출발물질인 할로겐화 티타늄, 물, 황산염의 농도 및 기타 반응조건을 조절하여 400℃ 이하의 온도에서 열처리하여 아나타제(anatase) 구조, 아나타제(anatase) 및 루타일(rutile)의 혼합구조 및 루타일(rutile) 구조를 가지는 이산화티타늄 광촉매를 합성할 수 있도록 하여 이산화티타늄의 제조단가를 낮추고, 광활성, 백색도 및 자외선 차단 기능이 향상되게 하는 이산화티타늄 광촉매를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above conventional problems, by adjusting the concentration of the starting material titanium halide, water, sulfate and other reaction conditions to heat treatment at a temperature below 400 ℃ anatase (anatase) structure, anatase (anatase) Titanium dioxide photocatalyst, which enables the synthesis of titanium dioxide photocatalyst having a mixed structure of rutile and rutile and rutile structure, thereby lowering the manufacturing cost of titanium dioxide and improving photoactivity, whiteness and UV blocking function. The purpose is to provide.
상기의 목적을 달성하기 위하여 출발물질인 티타늄 할라이드(titanium halide)와 증류수를 혼합하여 A용액을 합성하는 제1공정; 2차 증류수와 황산염을 혼합하여 B용액을 합성하는 제2공정; 상기 A용액에 B용액이 1:0.1∼0.9의 부피비율로 혼합되게 적하시키면서 교반하되, 4℃의 온도에서 1 시간 동안 교반시킨 후, 상기 A용액과 B용액의 혼합용액을 아르곤 및 질소가스 내의 항온조에서 80∼90℃의 온도로 가열하면서 2 시간 동안 환류시켜 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 합성하는 제3공정; 염기성 화합물과 2차 증류수를 혼합 및 교반하여 염기성 수용액을 제조하는 제4공정; 상기 제4공정을 통해 제조된 염기성 수용액에 상기 제3공정을 통해 합성된 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)을 적하시켜 pH 8로 유지하면서 아르곤 및 질소가스 내의 항온조에서 80∼90℃의 온도로 가열하면서 1∼2 시간 동안 환류시켜 이산화티타늄 침전물을 획득하는 제5공정; 상기 제5공정을 통해 획득된 이산화티타늄 침전물에서 용매와 수분을 제거하고, 잔존하는 반응 부생성물 및 미반응 유기물을 제거한 후, 400℃ 이하의 온도를 유지한 채 2∼5 시간 동안 소성시켜 이산화티타늄 광촉매를 합성하는 제6공정;으로 이루어지는 저온 열처리에 의해 결정구조가 변환되는 이산화티타늄 광촉매의 합성방법을 구현하고자 한 것이다.In order to achieve the above object, a first step of synthesizing A solution by mixing a starting material of titanium halide (titanium halide) and distilled water; A second step of synthesizing the B solution by mixing the second distilled water and the sulfate; The solution A was stirred while being mixed dropwise to the solution B at a volume ratio of 1: 0.1 to 0.9, and stirred at a temperature of 4 ° C. for 1 hour, and then the mixed solution of solution A and solution B was mixed in argon and nitrogen gas. A third step of synthesizing titanium hydroxide by refluxing for 2 hours while heating to a temperature of 80 ~ 90 ℃ in a thermostat; A fourth step of preparing a basic aqueous solution by mixing and stirring a basic compound and secondary distilled water; Titanium hydroxide synthesized through the third step was added dropwise to the basic aqueous solution prepared through the fourth step, and maintained at a pH of 8 while heating to a temperature of 80 to 90 ° C. in a thermostat in argon and nitrogen gas. A fifth step of refluxing for 1-2 hours while obtaining a titanium dioxide precipitate; The solvent and water were removed from the titanium dioxide precipitate obtained through the fifth process, the remaining reaction by-products and unreacted organics were removed, and then calcined for 2 to 5 hours while maintaining the temperature below 400 ° C. The sixth step of synthesizing the photocatalyst is to implement a method of synthesizing a titanium dioxide photocatalyst in which the crystal structure is converted by a low temperature heat treatment.
본 발명은 티타늄 할라이드(titanium halide)를 출발물질로 하여 수용액 상태에서 가수분해반응에 의해 화학식 1과 같이 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 제조하고,The present invention is to prepare a titanium hydroxide (titanium hydroxide) as shown in the formula 1 by the hydrolysis reaction in the aqueous solution state using a titanium halide (titanium halide) as a starting material,
다음은 화학식 2에 의해 상기에서 제조된 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)의 축합반응에 의해 이산화티탄 수화물이 만들어지고, Next, the titanium dioxide hydrate is produced by the condensation reaction of titanium hydroxide prepared above by Chemical Formula 2,
다음은 유기물 및 수분을 제거하기 위한 단계로서, 400℃ 이하의 온도에서 열처리하여 화학식 3에 의해 아나타제(anatase) 구조, 루타일(rutile) 구조 혹은 루타일 및 아나타제(rutile and anatase) 혼합구조의 이산화티타늄을 합성한다.The following is a step for removing organic matter and moisture, and heat treatment at a temperature of 400 ° C. or lower, followed by the oxidation of an anatase structure, a rutile structure, or a mixture of rutile and anatase structures according to Chemical Formula 3 Synthesize titanium.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 적용되는 저온 열처리에 의해 결정구조가 변환되는 이산화티타늄 광촉매의 합성방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for synthesizing a titanium dioxide photocatalyst in which a crystal structure is converted by low temperature heat treatment applied to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명에 적용되는 티타늄 하이드록사이드의 합성공정을 나타낸 흐름도이고, 도2는 본 발명에 적용되는 저온 소성공정에 의해 이산화티타늄 광촉매의 합성공정을 나타낸 흐름도이고, 도3은 본 발명에 적용되는 이산화티타늄의 다양한 결정구조를 XRD로 분석한 스펙트럼이고, 도4는 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄 광촉매에 의한 자외선 하에서의 100 ㎎/L 농도의 congo red의 분해율을 나타낸 그래프이고, 도5는 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄 광촉매에 의한 가시광선 하에서의 50 ㎎/L 농도의 congo red의 분해율을 나타낸 그래프이고, 도6은 본 발명에 적용되는 다양한 결정구조의 이산화티타늄의 band gap 에너지를 확인하기 위해 UV-Vis DR로 분석한 스펙트럼을 도시한 것으로, 함께 설명하기로 한다.1 is a flow chart showing a synthesis process of titanium hydroxide applied to the present invention, Figure 2 is a flow chart showing a synthesis process of the titanium dioxide photocatalyst by a low temperature firing process applied to the present invention, Figure 3 XRD spectrum of various crystal structures of titanium dioxide to be applied, Figure 4 is a graph showing the decomposition rate of congo red at a concentration of 100 mg / L under ultraviolet light by the titanium dioxide photocatalyst of various crystal structures applied to the present invention, 5 is a graph showing the decomposition rate of congo red at a concentration of 50 mg / L under visible light by titanium dioxide photocatalysts of various crystal structures applied to the present invention, and FIG. 6 is a graph showing titanium dioxide having various crystal structures applied to the present invention. Spectrum analyzed by UV-Vis DR to identify band gap energy is shown and described together.
[제1공정(티타늄 할라이드와 2차 증류수의 혼합공정)][Step 1 (mixing process of titanium halide and secondary distilled water)]
제1공정은 출발물질인 티타늄 할라이드(titanium halide)와 증류수를 혼합하여 0.2∼3 M 정도의 티타늄 할라이드(titanium halide) 용액을 교반시키는 공정으로, 이하, 본 발명에서는 상기 티타늄 할라이드(titanium halide)와 증류수 교반에 의해 준비된 용액을 'A용액'이라 칭한다(100).The first step is a step of mixing a titanium halide (titanium halide) and distilled water as a starting material to agitate a solution of about 0.2 to 3 M titanium halide (titanium halide), in the present invention, the titanium halide (titanium halide) and The solution prepared by stirring distilled water is called 'A solution' (100).
도1에 도시된 바와 같이 출발물질인 티타늄 할라이드(titanium halide)(110)를 0.2∼3 M을 약 4℃ 온도의 증류수에 적하시키는데(120), 이 때 증류수에 티타늄 할라이드(titanium halide)가 균일하게 용해될 수 있도록 자석 젓개를 사용하여 20분 이상 교반시키는 작업을 수행한다(130).As shown in FIG. 1, 0.2 to 3 M of the starting
상기 티타늄 할라이드(titanium halide)와 교반되는 물은 2차 증류수를 사용하되, 이 경우 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비가 1:500 이상일 경우는 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄이 합성되고, 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비가 1:23∼500 일 경우는 아나타제 및 루타일(anatase and rutile) 혼합구조의 이산화티타늄이 합성되며, 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비가 1:23 이하일 경우는 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄이 합성된다.The titanium halide and the water to be stirred are secondary distilled water. In this case, when the molar ratio of titanium halide (titanium halide) to water is 1: 500 or more, titanium dioxide having an anatase structure is synthesized, and titanium When the molar ratio of titanium halide to water is 1:23 to 500, titanium dioxide of anatase and rutile mixed structure is synthesized, and when the molar ratio of titanium halide to water is 1:23 or less Is synthesized titanium dioxide having a rutile structure.
상기 출발물질로 사용되는 티타늄 할라이드(titanium halide)는 산소와 반응성이 아주 풍부하여 공기 중에서 산소와 격렬하게 반응하고, 대기 중 잔존하는 수분을 흡수하여 가수분해를 일으킬 정도로 대기 중에는 항상 불안전한 상태로 존재하게 되기 때문에 상기의 합성과정은 무산소 조건하에서 수행될 수 있도록 하되, 아르곤(Ar) 또는 질소(N) 가스 분위기 하에서 실험을 수행하도록 한다(140).Titanium halide used as the starting material is very rich in reactivity with oxygen, reacts violently with oxygen in the air, absorbs residual water in the air, and is always in an unstable state in the air to cause hydrolysis. Since the synthesis process can be carried out under anoxic conditions, the experiment is carried out under an argon (Ar) or nitrogen (N) gas atmosphere (140).
[제2공정(황산염 수용액 제조공정)][Step 2 (Sulfate Aqueous Solution Manufacturing Process)]
제2공정은 2차 증류수와 황산염(sulfate salt)의 혼합 및 교반을 통해 생성되는 황산염 수용액을 제조하는 공정으로, 이하 본 발명에서는 상기 황산염 수용액을 'B용액'이라 칭한다(200).The second step is to prepare a sulfate solution produced by mixing and stirring the secondary distilled water and sulfate salt, in the present invention, the sulfate solution is referred to as 'B solution' (200).
도1에 도시된 바와 같이 2차 증류수(210)에 (NH4)2SO4, Na2SO4, K2SO4와 같은 황산염을 혼합하여 황산염의 농도가 0.1 M에서 1.0 M인 황산염 수용액을 제조하여(220) 상기 A용액에 반응시키는데, 이 경우 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 황산염의 몰비가 1:1.5 이상일 경우는 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄이 합성되는데, 상기와 같이 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 황산염의 몰비가 1:1.5 이상일 경우에는 이산화티타늄 광촉매 구조를 결정하는 반응에서 황산염에 의한 영향이 지배적이기 때문에 A용액의 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비에 의한 영향은 무시되어 결국 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄이 합성되는 것이다.
또한, 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 황산염의 몰비가 1:1.5 미만일 경우는 A용액의 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비에 의한 영향이 지배적이기 때문에 황산염에 의한 영향은 무시되어 결국 A용액의 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물의 몰비에 따라 아나타제(anatase) 구조와 아나타제 및 루타일(anatase and rutile)의 혼합구조와 루타일(rutile) 구조의 이산화티타늄이 합성되는 것이다.As shown in FIG. 1, sulfates such as (NH 4 ) 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , and K 2 SO 4 are mixed with secondary distilled
In addition, when the molar ratio of titanium halide to sulfate is less than 1: 1.5, since the influence of the molar ratio of titanium halide to water of solution A is dominant, the effect of sulfate is neglected. Depending on the molar ratio of titanium halide to water, anatase structure, a mixture of anatase and rutile, and rutile titanium dioxide are synthesized.
제2공정에서 제조된 황산염의 농도가 1.0 M 이상인 경우에는 추후 반응이 완결되지 못하고 출발물질인 티타늄 할라이드(titanium halide)가 분해되거나 다른 경로로 반응이 진행됨으로 주의하는 것이 바람직하며, 증류수와 황산염을 혼합하여 얻어진 황산염 용액을 본 발명에서는 임의로 'B용액'이라 한다.When the concentration of the sulfate prepared in the second step is 1.0 M or more, it is preferable that the reaction is not completed later and the starting material titanium halide is decomposed or the reaction proceeds through another route. The sulfate solution obtained by mixing is arbitrarily called "B solution" in this invention.
[제3공정(티타늄 하이드록사이드 제조공정)][Third Step (Titanium Hydroxide Manufacturing Step)]
제3공정은 제1공정에서 제조된 A용액과 제2공정에서 제조된 B용액을 혼합 및 교반하여 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 제조하는 공정으로(300), 도1에 도시된 바와 같이 상기 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 합성하기 위해서 제1공정의 방법인 티타늄 할라이드(titanium halide)와 증류수의 교반에 의해 준비된 A용액(100)에 제2공정을 통해 제조된 2차 증류수와 황산염의 혼합으로 제조된 B용액(200)이 1:0.1∼0.9의 부피비율로 혼합되게 피펫을 사용하여 A용액(100)에 적하시키면서 교반하되(310), 4℃의 온도에서 1 시간 동안 A용액과 B용액의 혼합용액을 교반시키고(320), 상기 A용액과 B용액의 혼합용액(330)을 무산조 조건인 아르곤 및 질소가스 분위기의 항온조(340)에서 80∼90℃의 온도로 가열하면서(350) 2 시간 동안 환류시켜(360) 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 합성한다.The third step is to prepare a titanium hydroxide (300) by mixing and stirring the solution A prepared in the first step and the solution B prepared in the second step (300), as shown in Figure 1 In order to synthesize the titanium hydroxide (titanium hydroxide), the second distilled water and sulphate prepared in the second solution to the solution A prepared by the stirring of titanium halide (titanium halide) and distilled water of the first step through a second step The solution B prepared by the mixing of 200 was mixed dropwise to the solution A (100) using a pipette to be mixed at a volume ratio of 1: 0.1 to 0.9 (310), and solution A for 1 hour at a temperature of 4 ° C. The mixed solution of the solution and B is stirred (320), and the
[제4공정(염기성 수용액 제조공정)][4th process (basic aqueous solution manufacturing process)]
제4공정은 NaOH, KOH 및 NH4OH와 같은 염기성 화합물(410)과 2차 증류수(420)를 혼합 및 교반하여(430) 염기성 수용액을 제조하는 공정으로(400), 도2에 도시된 바와 같이 상기 제3공정(300)에 의해 제조된 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)를 중화시키기 위해 상기의 염기성 수용액을 제조하되, 상기 염기성 수용액은 pH가 13∼14 정도가 되게 염기성 화합물을 증류수에 첨가한 후, 교반기를 이용하여 30분 동안 강력히 교반하여 제조한다.A fourth process is a process of mixing and stirring a
[제5공정(이산화티타늄 침전물 제조공정)][5th process (Titanium dioxide precipitate manufacturing process)]
제5공정은 상기 염기성 수용액(400)을 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)에 적하 및 교반시키는 공정으로, 상기 제4공정에 의해 제조된 염기성 수용액(400)을 제3공정에 의해 제조된 티타늄 하이드록사이드(titanium hydroxide)(300)에 교반 및 적하시켜(510) pH를 8로 유지하면서(520) 아르곤 및 질소가스 분위기인 무산소 조건 하에서(530) 80∼90℃로 가열하면서 1∼2 시간 동안 환류시켜(540) 우유빛의 이산화티타늄 침전물을 얻을 수 있다.The fifth step is a step of dropping and stirring the basic
[제6공정(다양한 구조의 이산화티타늄 광촉매 제조공정)][Step 6 (Manufacturing Process of Titanium Dioxide Photocatalysts of Various Structures)]
제6공정은 상기 이산화티타늄 침전물에서 용매와 잔존한 유기물을 제거한 후, 다양한 구조의 이산화티타늄 광촉매를 제조하는 공정으로(600), 도2에 도시된 바와 같이 상기 제5공정에서 얻어진 이산화티타늄 침전물(500)을 회전식 농축 증발기를 사용하여 40∼80℃의 범위 내에서 용매를 제거하고(610), 다양한 구조의 이산화티타늄을 흡습제가 들어 있는 진공 데시게이터에서 약 하루 동안 보관하여(620) 이산화티타늄에 포함된 수분을 제거한다(630).The sixth step is to remove the solvent and the remaining organic matter in the titanium dioxide precipitate, and to prepare a titanium dioxide photocatalyst of various structures (600), as shown in Figure 2 titanium dioxide precipitate obtained in the fifth step ( 500) by using a rotary concentrated evaporator to remove the solvent in the range of 40 ~ 80 ℃ (610), and store the titanium dioxide of various structures for about one day in a vacuum desiccator containing an absorbent (620) to titanium dioxide The included moisture is removed (630).
잔존하는 반응 부생성물 및 미반응 유기물을 제거하고(640), 결정성을 뛰게 하기 위해 관형전기로(tube furnace)에서 400℃로 2∼5 시간 동안 소성시켜서(650) 다양한 구조를 가지는 순수한 이산화티타늄 광촉매를 제조한다.Pure titanium dioxide with a variety of structures is removed by removing the remaining reaction by-products and unreacted organics (640) and firing at 400 ° C. for 2-5 hours in a tube furnace to run crystallinity (650). Prepare a photocatalyst.
아래에서는 본 발명에 적용되는 저온 열처리에 의한 이산화티타늄의 결정구조 및 광활성도를 측정하기 위한 실험예를 살펴보기로 한다.Hereinafter, an experimental example for measuring the crystal structure and photoactivity of titanium dioxide by low temperature heat treatment applied to the present invention will be described.
[실험예 1(XRD 측정)]Experimental Example 1 (XRD Measurement)
실험예 1은 상기 제1공정∼제6공정에 의해 합성된 이산화티타늄 광촉매의 반응조건에 따른 결정구조를 확인하기 위해서 이산화티타늄 광촉매의 XRD(X-ray diffraction)을 측정한 것으로, 아래의 표1은 XRD를 측정하기 위한 XRD 데이터의 측정조건을 나타낸 것이고, 도3은 제1공정 및 제2공정에서 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물 및 황산염의 몰비를 달리하여 합성한 이산화티타늄 광촉매의 결정구조를 XRD로 분석한 그래프(스펙트럼)이다.Experimental Example 1 is to measure the XRD (X-ray diffraction) of the titanium dioxide photocatalyst in order to confirm the crystal structure according to the reaction conditions of the titanium dioxide photocatalyst synthesized in the first to sixth step, Table 1 below Figure 3 shows the measurement conditions of the XRD data for measuring the XRD, Figure 3 shows the crystal structure of the titanium dioxide photocatalyst synthesized by varying the molar ratio of titanium halide to water and sulfate in the first step and the second step It is a graph (spectrum) analyzed by XRD.
상기 표1에 나타난 기본 측정조건을 가지고 측정한 결과 도3에 도시된 바와 같이 티타늄 할라이드(titanium halide)의 농도를 높일수록 이산화티타늄에서 루타일(rutile) 무게분율이 높게 나타나는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 제1공정 및 제2공정에서 티타늄 할라이드(titanium halide) 대 물 및 황산염의 몰비를 적절히 조절하면 도3에 도시된 바와 같이 400℃ 이하의 저온 열처리 조건 하에서 다양한 구조의 이산화티타늄 광촉매를 제조할 수 있게 된다.As a result of the measurement with the basic measurement conditions shown in Table 1, as shown in FIG. 3, the higher the concentration of titanium halide (titanium halide), the higher the rutile (rutile) weight fraction in titanium dioxide. Properly adjusting the molar ratio of titanium halide to water and sulfate in the first and second steps of the invention will produce titanium dioxide photocatalysts of various structures under low temperature heat treatment conditions of 400 ° C. or less. It becomes possible.
[실험예 2(광분해 실험)]Experimental Example 2 (photolysis experiment)
도4 및 5는 각각 자외선 및 가시광선에서 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄, 루타일(rutile) 17%, 51%, 91% 및 100%의 이산화티타늄 광촉매에 의한 congo red의 분해율을 반응 시간에 따라 UV-Vis spectormeter로 분석한 결과를 도시한 그래프로서, 상기 제1공정∼제6공정에 의해 합성된 다양한 구조의 이산화티타늄 광촉매에 대한 자외선에서 광활성도를 조사하기 위해 붉은색 염료로 사용되고 있는 congo red 약 100 ㎎/L을 표준물질로 사용하고, 가시광선에서는 50 ㎎/L 농도의 congo red를 사용하여 기 제조된 광촉매가 얼마나 효과적으로 염색염료를 분해할 수 있는지 이의 분해실험을 수행한 결과이다.Figures 4 and 5 show the reaction time of the reaction time of congo red by titanium dioxide and
상기 도시된 바와 같이 붉은색 계열의 염색염료인 congo red 100 ㎎/L의 농도로 제조하여 자외선 광원 아래에서 침전법으로 제조된 다양한 구조의 이산화티타늄을 사용하여 광조사 시킨 후, 이들 광촉매에 의한 congo red 용액의 분해 곡선을 보면 17% 및 51%의 루타일(rutile) 구조가 포함된 이산화티타늄이 상용으로 사용되고 있는 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄 광촉매에 비해 각각 21% 및 16%의 촉매 활성이 개선된 것을 알 수 있다.As shown above, after the condensation of the red dye dye congo red 100 mg / L concentration of the various structures prepared by the precipitation method under the ultraviolet light source using a titanium dioxide light irradiation, these photocatalysts by congo Degradation curves of the red solution show 21% and 16% catalytic activity, respectively, compared to pure titanium anatase photocatalysts, which are commercially used titanium dioxide containing 17% and 51% rutile structures. It can be seen that this improvement.
자외선 필터를 설치하여 가시광선 조사 하에서 상기 제1공정∼제6공정에 의해 합성된 다양한 구조의 이산화티타늄 광촉매로 50 ㎎/L 농도의 congo red의 분해실험은 도5에 도시된 바와 같으며, 자외선을 조사하여 실험한 결과와 유사하게 ㄹ루타일(rutile) 구조를 일정량 함유한 촉매의 활성이 순수한 아나타제(anatase) 구조 촉매보다 뛰어난 것을 알 수 있다.The decomposition test of 50 mg / L congo red with titanium dioxide photocatalysts of various structures synthesized by the first to sixth steps under the visible light irradiation by installing the ultraviolet filter is shown in FIG. Similar to the results of the experiments, it can be seen that the activity of the catalyst containing a certain amount of rutile structure is superior to that of the pure anatase structure catalyst.
하지만 가시광선 조사 하에서 50 ㎎/L 농도의 congo red를 60분 동안 광분해 시키면, 순수한 아나타제(anatase) 구조 촉매에 대한 루타일(rutile) 분율이 17%인 촉매의 상대적 활성 차이는 가시광선 조사 하에서 78%로써 가시광선 광원에 촉매활성이 자외선 광에서 보다 뛰어남을 확인 할 수 있다.However, when 60 mg of congo red at 50 mg / L concentration was photolyzed under visible light irradiation for 60 minutes, the relative activity difference of the catalyst having a rutile fraction of 17% for pure anatase structure catalyst was 78 As a percentage, the catalytic activity of the visible light source is superior to that of the ultraviolet light.
이상의 결과에서 알 수 있듯이 루타일(rutile) 구조를 포함하는 TiO2가 상용으로 사용되고 있는 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄 보다 자외선 및 가시광선 광원에서 촉매활성이 훨씬 뛰어남을 확인할 수 있으며, 특히 가시광선 광원에서는 아나타제(anatase) 구조 촉매보다 활성이 78% 이상 개선된 것을 확인할 수 있다.As can be seen from the above results, it can be seen that TiO 2 containing a rutile structure is much more catalytically active in ultraviolet and visible light sources than titanium dioxide having anatase structure, which is commonly used. In the light source, it can be seen that the activity is improved by 78% or more than the anatase structure catalyst.
도3에 도시된 바와 같이 상기 제1공정∼제6공정으로 제조할 때, 세부 반응조건에 의해 이산화티타늄의 결정구조변환이 가능한데, 이는 제조된 이산화티타늄 활성에 영향을 주게 된다.As shown in FIG. 3, when the first to sixth processes are manufactured, crystal structure conversion of titanium dioxide can be performed by detailed reaction conditions, which affects the produced titanium dioxide activity.
이와 같이 기존에 상용으로 널리 사용되고 있는 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄 보다 루타일(rutile) 구조를 10%∼50% 정도 포함하는 이산화티타늄의 광촉매 활성이 뛰어난 것으로 나타나고, 이는 루타일(rutile) 구조를 포함하는 이산화티타늄의 경우 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 촉매활성을 나타내기 때문이며, 이는 실험예 3을 통해 상세히 설명한다.As such, the photocatalytic activity of titanium dioxide, which contains about 10% to 50% of the rutile structure, is superior to that of the pure anatase structure of titanium dioxide, which is widely used commercially. This is because titanium dioxide having a structure exhibits catalytic activity by absorbing light in the visible region, which will be described in detail through Experimental Example 3.
[실험예 3(이산화티타늄의 UV-Vis DR 스펙트럼)]Experimental Example 3 (UV-Vis DR Spectrum of Titanium Dioxide)
도6에 도시된 바와 같이 이산화티타늄 광촉매의 결정구조 중 루타일(rutile) 구조가 많아질수록 흡수 스펙트럼이 장파장 영역으로 이동하는 것을 알 수 있으며, 상기 제1공정∼제6공정에 의해 제조된 이산화티타늄 광촉매에서 루타일(rutile) 구조 비율이 높아질수록 장파장에서 활성이 높게 나타냄을 확인할 수 있으며, 도4 및 도5와 같이 순수한 아나타제(anatase) 구조보다 루타일(rutile) 구조가 섞여 있는 이산화티타늄 광촉매가 활성이 우수한 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be seen that as the rutile structure increases in the crystal structure of the titanium dioxide photocatalyst, the absorption spectrum shifts to the long wavelength region, and the dioxide produced by the first to sixth steps The higher the rutile structure ratio in the titanium photocatalyst, the higher the activity in the long wavelength. As shown in FIGS. It can be seen that the activity is excellent.
본 발명은 출발물질인 할로겐화 티타늄, 황산염의 농도 및 기타 반응조건을 조절하여 400℃ 이하의 온도에서 순수한 루타일(rutile) 구조 및 루타일/아나타제(rutile/anatase)의 혼합구조를 가지는 이산화티타늄을 합성할 수 있도록 함으로써, 열처리 비용을 절감할 수 있으며, 400℃에서 열처리하여 루타일(rutile)구조의 이산화티타늄을 합성해 비표면적을 최대 30㎡/g까지 증가할 수 있어 페인트 안료, 화장품, 자외선 차단제 및 고무의 물성 증감제로 사용할 때 동일 무게대비 비표면적이 커서 소량으로 이산화티타늄의 효용성을 향상시킬 수 있다.The present invention adjusts the concentration of the starting material titanium halides, sulfates and other reaction conditions to obtain a titanium dioxide having a pure rutile structure and a mixed structure of rutile / anatase at a temperature of 400 ℃ or less By making it possible to synthesize, it is possible to reduce the heat treatment cost, and it is possible to synthesize rutile titanium dioxide by heat treatment at 400 ℃ to increase the specific surface area up to 30㎡ / g. When used as a physical property sensitizer for barriers and rubbers, the specific surface area to the same weight is large, so that the effectiveness of titanium dioxide can be improved in a small amount.
또한, 광촉매로 적용할 때 루타일(rutile)이 17%의 비율로 존재하는 이산화티타늄의 광촉매 활성도가 순수한 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄 보다 자외선 및 가시광선에서 각각 16% 및 78% 정도로 동일한 반응조건에서 유기물 분해 효율이 증가되어 환경정화제, 방오, 살균 및 건축자재 등의 다양한 분야에 적용이 가능하고, 특히 상용의 아나타제(anatase) 구조의 이산화티타늄보다 가시광선에서 촉매활성이 78% 정도 개선되어 태양광에서 고효율을 나타내는 광촉매로 적용이 가능하다는 특징이 있다.In addition, when applied as a photocatalyst, the photocatalytic activity of titanium dioxide in which rutile is present at a ratio of 17% is about 16% and 78% at ultraviolet and visible light, respectively, than titanium dioxide having pure anatase structure. Under the conditions, the decomposition efficiency of organic matter is increased, so that it can be applied to various fields such as environmental purification, antifouling, sterilization, and building materials.In particular, the catalytic activity is improved by about 78% in visible light than commercial titanium anatase structure. It can be applied as a photocatalyst showing high efficiency in sunlight.
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