소개글
"광촉매 TiO2"에 대한 내용입니다.
목차
1. 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매 특성과 활용
1.1. TiO2의 기본적인 성질
1.1.1. 티탄과 산소의 성질
1.1.2. TiO2의 결정구조
1.2. 광촉매로서의 TiO2
1.2.1. 광촉매의 개념 및 분류
1.2.2. 광촉매의 반응원리
1.2.3. 반도체 광촉매의 조건
1.2.4. 광촉매의 장점
1.2.5. 나노 반도체 금속산화물 광촉매의 종류
1.2.6. 분말형 광촉매와 액상 졸형 광촉매의 비교
1.2.7. 반도체 광촉매 제조기술
1.2.8. 광촉매의 활용
1.2.9. 이산화티타늄 광촉매의 고효율화
1.2.10. 이산화티타늄 광촉매의 고정화
1.3. 광 촉매 응용 및 용도
1.3.1. 수질 오염 정화
1.3.2. 광촉매를 이용한 공기정화
1.3.3. 휘발성 유기화합물(VOCs)
1.3.4. 광촉매 산화반응
1.3.5. TiO2/UV이론
1.3.6. 광촉매 플라즈마 공기정화 필터
1.3.7. UV/TiO2 대기오염물질 정화 시스템(Hiclean-Air)
1.3.8. UV/TiO2 실내공기 및 축사공기 정화장치
1.3.9. UV/ 대기오염물질 정화 시스템(Hiclean-Air)-공기청정기
1.4. 그 밖의 TiO2의 응용
1.4.1. TiO2의 다른 용도
1.4.2. 광산란의 특성
1.5. 광섬유
1.6. 그 외 용도
1.6.1. 폴리에틸렌계 자연 분해성 비닐에 이용
1.6.2. TiO2광촉매의 친수·방오 기능 활용정
1.6.3. 섬유에 소광제와 백색안료로 사용정
1.6.4. 자외선 차단 가공제로서의 TiO2
1.7. 최근 TiO2의 연구동향
1.7.1. 국내 시장현황
1.7.2. 세계 시장현황
1.7.3. 향후 전망
2. 참고 문헌
본문내용
1. 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매 특성과 활용
1.1. TiO2의 기본적인 성질
1.1.1. 티탄과 산소의 성질
티탄(Titanium)은 주기율표 제4A족에 속하는 금속원소로, 티타늄이라고도 한다. 티탄의 원소기호는 Ti, 원자번호는 22, 원자량은 47.88이다. 산화수는 +2, +3, +4이며, 전기음성도는 1.6이다. 실온에서 금속 상태로 존재하며, 녹는점이 1933K, 끓는점이 3560K, 비중은 4.50(20℃)이다.
티탄은 1789년 영국의 W.그레거가 콘월 지방에서 산출된 사철(砂鐵)에서 새로운 산화물을 추출하면서 발견되었다. 이후 95년 독일의 M.H.클라프로트가 헝가리산 금홍석(金紅石)에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화의 신(Titanes)의 이름을 따서 티탄이라 명명하였다. 순수한 금속은 1910년 M.A.헌터에 의해 처음으로 분리되었다.
티탄은 은백색 금속으로, 전성과 연성이 있으며 가열에 의해 단련할 수 있다. 내부식성이 우수하여 공업상 중요한 금속으로 사용된다. 결정은 α형과 β형 2종류가 있는데, α형은 상온에서 안정한 상태이다. 굳기는 4.0이며, 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또한 열전도율과 열팽창률이 작고, 400℃ 이하에서는 강도의 변화가 작다.
산소(Oxygen)는 주기율표 제16족에 속한 원소로, 암석은 산소와 다른 원소의 결합체이다. 물은 그 90% 정도가 산소이며, 화합물로서 지각(두께 16 km)의 45%, 해수(海水)의 86% 정도를 차지한다. 대기 중에는 분자상태의 산소가 20.95부피 %로 함유되어 있다.
산소는 스웨덴의 K.W.셸레와 영국의 J.프리스틀리에 의해 각각 독립적으로 발견되었다. 상온·상압에서는 무색·무미·무취의 기체이며, 2원자분자 O2로 이루어져 있다. 표준상태에서 1ℓ의 무게는 1.429 g이며, 물 1부피에 대하여 0 ℃에서 0.0491부피, 20 ℃에서 0.0311부피가 녹는다. 산소는 대단히 활발한 원소로 비활성기체의 일부를 제외하면 모든 원소와 화합물을 만들 수 있다.
1.1.2. TiO2의 결정구조
TiO2의 결정구조는 크게 Rutile, Anatase, Brookite의 3가지 형태로 존재한다. 이들은 모두 TiO6의 팔면체 구조로 이루어져 있지만, 팔면체의 연결 방식에 따라 결정 구조가 달라진다.
Rutile 구조는 TiO6 팔면체가 모서리를 공유하며 연결되어 있는 형태이다. 결정 구조는 정방정계이며, 격자 상수는 a=4.5845Å, c=2.9533Å이다. Rutile 구조는 가장 안정한 상태로 알려져 있다.
Anatase 구조는 TiO6 팔면체가 모서리를 공유하며 연결되어 있는데, 그 연결 방식이 Rutile과 다르다. 결정 구조는 역시 정방정계이며, 격자 상수는 a=3.7842Å, c=9.5146Å이다. Anatase는 Rutile보다 비중이 작고 에너지 밴드갭이 크다.
Brookite 구조는 TiO6 팔면체가 꼭지점을 공유하며 연결되어 있는 형태이다. 결정 구조는 사방정계이며, 격자 상수는 a=9.184Å, b=5.447Å, c=5.145Å이다. Brookite는 Rutile과 Anatase의 중간 상으로 알려져 있다.
이처럼 TiO2는 세 가지 서로 다른 결정 구조를 가지고 있으며, 각각의 구조는 고유한 물리적, 화학적 특성을 보인다. 이 중 Anatase와 Rutile 구조가 광촉매 응용 분야에서 주로 활용되고 있다.
1.2. 광촉매로서의 TiO2
1.2.1. 광촉매의 개념 및 분류
광촉매(Photocatalyst)란 빛(光)을 받으면 촉매 반응을 일으키는 물질이다. 광촉매는 크게 균일계 광촉매와 불균일계 광촉매로 분류할 수 있다.""
균일계 광촉매는 분자상태로 용액 중에 존재하는 형태이며, 주로 전이금속 착물이 이에 해당된다. 반면 불균일계 광촉매는 주로 반도체 물질로서 매질에 입자상으로 분산되어 있는 형태이다. 불균일계 광촉매가 주로 연구·응용의 대상이 되고 있으며, 이 중에서도 이산화티타늄(TiO2)이 가장 각광받는 재료이다.""
광촉매로 사용되는 반도체 재료에는 TiO2, SiO2, ZnO, WO3, CdS 등 여러 종류가 있다. 이 중에서도 TiO2가 가장 많이 연구되고 있는데, 이는 TiO2가 화학적으로 안정하고 인체에 무해하며, 광학적 안정성과 광활성이 우수하고 가격이 저렴하기 때문이다.""
1.2.2. 광촉매의 반응원리
광촉매의 반응원리는 다음과 같다.
반도체 물질인 이산화티타늄(TiO2)에 빛 에너지가 조사되면 TiO2 내부에서 전자-정공쌍이 생성된다. 구체적으로 380nm 이하의 자외선 영역의 빛을 흡수하게 되면 TiO2의 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 가진 광자에 의해 TiO2의 가전자대 전자가 전도대로 여기된다. 이때 가전자대에는 정공이 생성되게 된다.
생성된 전자-정공쌍은 TiO2 표면으로 이동하게 되는데, 전도대의 전자는 산소 분자와 반응하여 슈퍼옥사이드 라디칼(O2·-)을 생성한다. 한편 가전자대의 정공은 물 분자나 수산화이온과 반응하여 강력한 산화력을 가진 하이드록시 라디칼(·OH)을 생성한다.
이렇게 생성된 라디칼들은 매우 강한 산화력을 가지고 있어 주변의 유기물 오염물질을 분해할 수 있다. 즉, 하이드록시 라디칼과 슈퍼옥사이드 라디칼이 유기물을 산화시켜 이산화탄소와 물로 분해하는 것이 광촉매 반응의 핵심 메커니즘이다.
1.2.3. 반도체 광촉매의 조건
반도체 광촉매의 조건은 다음과 같다.
첫째, 반도체 물질은 광학적으로 활성이어야 한다. 즉, 빛을 흡수하여 전자를 이동시킬 수 있어야 한다. 이때 밴드갭 에너지가 충분히 크여야 하며, 밴드갭 에너지 이상의 파장을 가진 광원으로 조사해야 한다. TiO2의 경우 아나타제 상은 3.2eV, 루타일 상은 3.0eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있다.
둘째, 반도체 물질은 생물학적, 화학적으로 안정적이어야 한다. 광촉매 반응이 일어나는 동안 물질 자체가 분해되거나 변화되면 안 된다. TiO2는 화학적으로 안정하고 무독성이어서 이 조건을 만족한다.
셋째, 반도체 물질은 경제적이어야 한다. 광촉매 공정에 사용되는 물질은 대량생산이 가능하고 가격이 저렴해야 한다. TiO2는 천연자원이 풍부하여 생산단가가 낮고 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.
이처럼 TiO2는 광학적 활성, 화학적 안정성, 경제성 등 반도체 광촉매로서의 조건을 모두 만족하여 가장 널리 사용되는 광촉매 물질이다.
1.2.4. 광촉매의 장점
광촉매의 장점은 다음과 같다. 첫째, 열역학적으로 안정하고 무독성이며, 백색도 및 은폐력이 우수하다는 점이다. 이로 인해 페인트, 플라스틱, 종이 등의 백색 도료의 원료로 대량 이용되고 있다. 둘째, 자외선 차단 능력이 뛰어나 화장품의 자외선 차단제, 건물 및 자동차의 냉방을 위한 자외선 차단용 페인트, 플라스틱과 섬유 등의 안료, 타이어의 충진제 등 생활용품 제조에 널리 사용되고 있다. 셋째, 근래에는 강유전성 특성 때문에 전자세라믹 소자의 근간재료, 광촉매의 재료, 산화물 반도체, 산소 센서 및 필터 재료 등 고기능성재료로 그 용도가 크게 확대되고 있다. 넷째, 방사성폐기물 제거, 다이옥신 등 환경물질 제거 및 귀금속 회수 등 환경분야의 용도가 크게 늘어나고 있다. 이처럼 이산화티타늄은 매우 안전하고 다양한 용도로 널리 사용되는 우수한 물질이라고 할 수 있다.
1.2.5. 나노 반도체 금속산화물 광촉매의 종류
나노 반도체 금속산화물 광촉매의 종류는 매우 다양하다. TiO2 외에도 ZnO, CdS, ZrO2, SnO2, V2O3 등의 물질들이 광촉매로 활용되고 있다.
이러한 나노 반도체 금속산화물 광촉매들은 공통적으로 반도체 특성을 가지고 있어 빛에 의해 전자-정공쌍이 생성되어 산화-환원 반응을 촉진시킬 수 있다. 특히 나노 크기의 입자들은 높은 비표면적을 가져 반응 활성 site가 많아 광촉매 성능이 우수하다.
TiO2는 가장 대표적인 광촉매 물질로 알려져 있으며, 아나타제(anatase)와 루틸(rutile) 결정상을 가진다. 아나타제 TiO2는 밴드갭 에너지가 3.2 eV로 자외선 영역의 빛을 흡수하여 활성화되며, 루틸 TiO2는 3.0 eV의 밴드갭으로 좀 더 긴 파장의 빛을 흡수할 수 있다.
ZnO는 TiO2와 유사한 광촉매 특성을 가지며, CdS는 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 특성이 있다. ZrO2, SnO2, V2O3 등의 금속산화물들도 광촉매 반응에 활용되고 있다.
이처럼 다양한 나노 반도체 금속산화물이 광촉매로 연구되고 있으며, 각 물질의 고유한 물리화학적 특성에 따라 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.
1.2.6. 분말형 광촉매와 액상 졸형 광촉매의 비교
분말형 광촉매와 액상 졸형 광촉매의 비교는 다음과 같다.
분말형 광촉매는 액체에 분산된 상태로 사용되며, 가격이 저렴하고 공급이 안정적이다. 또한 광활성이 코팅형 광촉매에 비해 우수하다. 하지만 기재에 코팅 시 바인더가 필요하며 투명도가 감소하여 백색 착색이 발생한다. 또한 슬러리 상태로 사용 시 분리 공정이 필요하다는 단점이 있다.
반면 코팅형 액상 광촉매 졸은 기재에 코팅하거나 졸 자체로 사용할 수 있다. 코팅 후에도 투명도를 유지할 수 있고 사용 및 유지보수가 용이하다. 또한 다양한 응용 분야와 시스템에 적용하기 쉬운 장점이 있다. 하지만 기술적 장벽으로 인해 제조가 어렵고 가격이 고가라는 단점이 있다. 또한 타 액과 혼합 시 침전이 발생할 수 있다.
종합적으로 분말형 광촉매는 가격과 공급의 안정성이 우수하나 투명도와 분리 공정의 한계가 있으며, 코팅형 액상 광촉매 졸은 다양한 응용이 가능하나 제조 기술과 가격 측면에서 단점이 있다고 할 수 있다.
1.2.7. 반도체 광촉매 제조기술
반도체 광촉매 제조기술은 크게 액상에서의 제조와 기상에서의 제조로 나눌 수 있다. 액상에서의 제조법은 주로 sol-gel법이 이용되며, 가용성 금속 알콕시드나 염, 산화물, 수산화물 등을 이용하여 콜로이드 상태의 sol을 만든 후 이를 겔화시켜 최종적으로 금속 산화물을 얻는 방법이다. 이 과정에서 화학적 반응 속도를 조절하여 입도와 결정성을 제어할 수 있다.
기상에서의 제조법으로는 증발·응축법, 기상합성법, 기상 산화법, 기상 분해법 등이 있다. 증발·응축법은 금속 원료를 가열하여 증발시키고 이를 불활성 가스로 냉각시켜 나노입자를 생성하는 방법이다. 기상합성법은 금속 화합물을 기화시켜 다른 기체와 반응시켜 분말을 합성하는 방법이고, 기상 산화법은 금속 염화물을 연소시켜 금속 산화물을 얻는 방법이다. 기상 분해법은 휘발성 금속 화합물을 열 분해 또는 환원시켜 금속이나 금속 화합물을 석출시키는 기술이다.
이러한 다양한 제조 방법들을 통해 나노 크기의 균일한 입자와 높은 결정성을 가진 반도체 광촉매 소...
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