KR101264878B1 - Fabricating method of titanate nanotube containing titanium dioxide - Google Patents
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Abstract
(a) 강알칼리 수용액 내에서 이산화티탄을 반응시켜 티타네이트 나노튜브 분말을 얻는 단계; 및 (b) 상기 티타네이트 나노튜브 분말을 강산 수용액 및 티타네이트 흡착 물질과 반응시켜 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 얻는 단계를 포함하는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법이 제공된다.(a) reacting titanium dioxide in a strong alkaline aqueous solution to obtain a titanate nanotube powder; And (b) reacting the titanate nanotube powder with a strong acid solution and a titanate adsorbent to obtain a titanium dioxide-containing titanate nanotube having an anatase crystal phase. do.
Description
본 명세서에 개시된 기술은 이산화티탄을 함유하는 티타네이트 나노튜브의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조과정에서 광활성이 좋은 아나타제 입자를 함유하며 상전이에 의한 루타일 입자의 생성이 없는 티타네이트 나노튜브의 제조방법에 관한 것이다.The technology disclosed herein relates to a method for producing titanium dioxide-containing titanate nanotubes, and more particularly, to titanate nanoparticles containing anatase particles having good photoactivity in the manufacturing process and without the generation of rutile particles by phase transition. It relates to a method for producing a tube.
티타네이트 나노튜브는 광촉매, 태양전지, 센서 및 수소저장 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 소재로 최근 들어 많이 연구되고 있으며, 여기에 효율을 높이기 위하여 금속 촉매를 담지하는 연구도 일부 진행되고 있다. 한편, 종래의 티타네이트 나노튜브의 효율을 높이기 위해 전이금속을 도핑한 티타네이트 나노튜브를 만드는 기술(등록특허 제10-0850027호) 및 백금 및 팔라듐 금속 촉매가 담지된 티타네이트 나노튜브를 만드는 기술(등록특허 제10-0810122호)이 보고된 바 있다.Titanate nanotubes are materials that can be applied to various fields such as photocatalysts, solar cells, sensors, and hydrogen storage. Recently, many studies have been conducted to support metal catalysts in order to increase efficiency. Meanwhile, in order to increase the efficiency of conventional titanate nanotubes, a technique of making titanate nanotubes doped with transition metals (Patent No. 10-0850027) and a technique of making titanate nanotubes supported with platinum and palladium metal catalysts (Patent No. 10-0810122) has been reported.
그러나 기존의 방법에서는 백금이나 팔라듐 전구체를 이산화티탄(TiO2) 입자로부터 티타네이트 나노튜브를 얻는 과정에 첨가하여 수열합성 과정을 통해 백금이나 팔라듐 촉매가 티타네이트 나노튜브에 분산되게 하는 것으로 특징으로 하고 있다. 기존 방법에서는 티타네이트 나노튜브 전체에 백금이나 팔라듐 촉매가 분산될 것이기 때문에 고가인 금속 촉매를 다량 사용함으로 인해서 그 경제적인 효율이 떨어질 것으로 생각된다.However, the conventional method is characterized in that the platinum or palladium precursor is added to the process of obtaining titanate nanotubes from titanium dioxide (TiO 2 ) particles so that the platinum or palladium catalyst is dispersed in the titanate nanotubes through hydrothermal synthesis. have. In the existing method, since platinum or palladium catalysts will be dispersed throughout the titanate nanotubes, it is thought that the economic efficiency will be reduced by using a large amount of expensive metal catalysts.
일 실시예에 따르면, (a) 강알칼리 수용액 내에서 이산화티탄을 반응시켜 티타네이트 나노튜브 분말을 얻는 단계; 및According to one embodiment, (a) reacting titanium dioxide in a strong alkaline aqueous solution to obtain a titanate nanotube powder; And
(b) 상기 티타네이트 나노튜브 분말을 강산 수용액 및 티타네이트 흡착 물질과 반응시켜 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 얻는 단계를 포함하는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법이 제공된다.(b) reacting the titanate nanotube powder with a strong acid aqueous solution and titanate adsorbent to obtain a titanium dioxide-containing titanate nanotube having an anatase crystal phase, thereby providing a method for producing titanium dioxide-containing titanate nanotubes. .
다른 실시예에 따르면, 상술한 제조방법에 의해 제조된 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브가 제공된다.According to another embodiment, there is provided a titanium dioxide-containing titanate nanotube produced by the above-described manufacturing method.
도 1은 티타네이트 나노튜브의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 사진이다(도 2a: 비교예 1, 도 2b: 비교예 2, 도 2c: 실시예 1, 도 2d: 실시예 2).
도 3은 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 X-선 회절분석기 (XRD) 분석 결과이다.
도 4는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 확산 반사 분광 (DRS) 분석 결과이다.
도 5는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 자외선 조사에 따른 메틸렌블루의 분해 정도를 비교한 그래프이다.
도 6은 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 자외선 조사에 따른 아세트알데히드의 분해 정도를 비교한 그래프이다.1 is a process flow diagram showing an embodiment of a method for producing a titanate nanotube.
2 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 (FIG. 2A: Comparative Example 1 and FIG. 2B: Comparative Example 2 and FIG. 2). 2c Example 1, FIG. 2D Example 2).
FIG. 3 shows X-ray diffractometer (XRD) analysis results of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. FIG.
4 shows the results of diffuse reflection spectroscopy (DRS) analysis of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. FIG.
5 is a graph comparing the degree of decomposition of methylene blue according to ultraviolet irradiation of the titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2.
6 is a graph comparing the decomposition degree of acetaldehyde according to ultraviolet irradiation of the titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시된 기술에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 티타네이트 나노튜브의 제조방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다. 도 1을 참조하면, 단계 S1에서, 강알칼리 수용액 내에서 이산화티탄을 반응시켜 티타네이트 나노튜브 분말을 얻는다. 강알칼리 수용액은 LiOH, NaOH, 및 KOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수용액일 수 있다. 사용되는 이산화티탄은 분말의 형태로서 대개 2 내지 100nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 이산화티탄의 분말을 상기 강알칼리 수용액 내에서 열을 가하여 일정시간동안 환류반응기에서 교반시킬 수 있다. 상기 이산화티탄 분말을 5 내지 20M, 바람직하게는 8 내지 15M의 농도를 갖는 강알칼리 수용액에 담근 후 50 내지 180℃의 온도에서 10 내지 60 시간동안 환류반응시킬 수 있다. 강알칼리의 농도가 상기 범위 미만에서는 나노튜브를 형성하는 데 반응 시간이 길어져 공업적으로 비효율적일 수 있으며, 상기 범위를 초과하면 나노튜브 형태를 얻기 어려울 수 있다. 또한 상기 온도 미만에서는 반응 시간이 길어지고, 상기 온도를 초과하면 나노튜브 형태를 얻기 어려울 수 있다. 상기 반응 후 물로 세척하면 상기 티타네이트 나노튜브가 얻어질 수 있다.1 is a process flow diagram showing an embodiment of a method for producing a titanate nanotube. Referring to FIG. 1, in step S1, titanium dioxide is reacted in a strong alkaline aqueous solution to obtain a titanate nanotube powder. The strong alkaline aqueous solution may be at least one aqueous solution selected from the group consisting of LiOH, NaOH, and KOH. The titanium dioxide used can be in the form of a powder and usually have a diameter of 2 to 100 nm. The powder of titanium dioxide may be stirred in a reflux reactor for a predetermined time by applying heat in the strong alkaline aqueous solution. The titanium dioxide powder may be immersed in a strong alkaline aqueous solution having a concentration of 5 to 20M, preferably 8 to 15M, and then refluxed at a temperature of 50 to 180 ° C. for 10 to 60 hours. When the concentration of the strong alkali is less than the above range, the reaction time may be long to form the nanotubes, which may be industrially inefficient, and when the concentration exceeds the above range, it may be difficult to obtain a nanotube form. In addition, when the temperature is lower than the temperature, the reaction time is long, and when the temperature is exceeded, it may be difficult to obtain a nanotube form. The titanate nanotubes can be obtained by washing with water after the reaction.
단계 S2에서, 상기 티타네이트 나노튜브 분말을 강산 및 티타네이트 흡착 물질을 함유하는 수용액과 반응시켜 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 얻는다. 상기 티타네이트 나노튜브를 상기 강산 수용액으로 처리하여 가열하면서 일정시간동안 환류반응기에서 교반하면 상기 티타네이트 나노튜브 내의 잔존 알칼리 금속을 제거할 수 있으며, 아나타제 결정상이 생성될 수 있다. 상기 강산 수용액은 HCl, HNO3, 및 H2SO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 농도는 0.05 내지 5M일 수 있다. 상기 농도 미만에서는 아나타제 결정상이 생기는 반응시간이 길어지고, 상기 농도를 초과하면 아나타제 결정상이 아니라 루타일의 결정상만 생길 수 있다. 반응은 40 내지 120℃의 온도에서 4 내지 40 시간동안 환류반응시키는 것이 바람직하다. 상기 온도 미만에서는 반응 시간이 길어지고, 상기 온도를 초과하면 아나타제에서 루타일로의 상전이가 일어날 수 있다.In step S2, the titanate nanotube powder is reacted with an aqueous solution containing a strong acid and titanate adsorbent to obtain titanium dioxide containing titanate nanotubes having an anatase crystal phase. When the titanate nanotubes are treated with the strong acid aqueous solution and stirred in a reflux reactor for a predetermined time, the residual alkali metal in the titanate nanotubes may be removed, and an anatase crystal phase may be generated. The strong acid aqueous solution may be at least one selected from the group consisting of HCl, HNO 3 , and H 2 SO 4 , the concentration may be 0.05 to 5M. When the concentration is lower than the above-mentioned concentration, the reaction time for generating the anatase crystal phase becomes long, and when the concentration is exceeded, only the rutile crystal phase, not the anatase crystal phase, may occur. The reaction is preferably refluxed for 4 to 40 hours at a temperature of 40 to 120 ℃. Below the temperature, the reaction time is long, and when the temperature is exceeded, a phase transition from anatase to rutile may occur.
상기 티타네이트 흡착 물질은 염의 형태를 가지며 수용액 내에서 해리되어 상기 티타네이트 나노튜브와 정전기적으로 결합할 수 있는 음이온을 생성할 수 있다. 상기 티타네이트 흡착 물질의 구체적인 예로 불소이온(F-), 인산이온(PO4 3-), 규산이온(SiO4 4-) 등을 함유하는 염을 들 수 있다.The titanate adsorbent material may be in the form of a salt and dissociate in an aqueous solution to produce anions that can electrostatically bond with the titanate nanotubes. Specific examples of the titanate adsorbent include salts containing fluorine ion (F-), phosphate ion (PO 4 3- ), silicate ion (SiO 4 4- ), and the like.
상기 티타네이트 나노튜브는 산성에서 표면이 양전하로 대전될 수 있으므로, 상기 티타네이트 흡착 물질이 정전기적 인력에 의해 상기 티타네이트 나노튜브 표면에 흡착됨으로써 티타네이트 나노튜브의 재결정을 막고 일부의 티타네이트만 아나타제 결정상으로 전이하게 함으로써 아나타제 결정상 입자가 담지된 티타네이트 나노튜브를 유지할 수 있다.Since the titanate nanotubes can be positively charged on the surface in acidity, the titanate adsorption material is adsorbed onto the titanate nanotube surface by electrostatic attraction to prevent recrystallization of the titanate nanotubes and only a part of the titanates. By allowing the transition to the anatase crystal phase, the titanate nanotubes carrying the anatase crystal phase particles can be maintained.
단계 S2의 공정은 상기 티타네이트 나노튜브 분말에 대하여 상기 강산 수용액 및 상기 티타네이트 흡착 물질과 함께 동시에 반응시키는 방식으로 수행될 수 있다. 또는 상기 티타네이트 나노튜브 분말에 대하여 상기 티타네이트 흡착 물질을 먼저 반응시킨 다음 상기 강산 수용액을 반응시키는 방법으로 수행될 수도 있다.The process of step S2 may be performed by simultaneously reacting the titanate nanotube powder with the strong acid aqueous solution and the titanate adsorbent material. Alternatively, the titanate adsorbent may be reacted with the titanate nanotube powder first, and then the strong acid aqueous solution may be reacted.
상기 제조방법에 의하면 간단한 공정으로 아나타제 결정상을 가진 티타네이트 나노튜브를 얻을 수 있으며 루타일로의 결정상 전이를 막을 수 있다.According to the above production method, a titanate nanotube having an anatase crystal phase can be obtained by a simple process, and the transition of the crystal phase to rutile can be prevented.
이하, 본 개시된 기술을 비교예 및 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기 실시예는 구체적인 예시에 불과하며, 본 개시된 기술의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
Hereinafter, the disclosed technology will be further embodied by comparative examples and examples, and the following examples are only specific examples and are not intended to limit the protection scope of the disclosed technology.
[비교예 1]Comparative Example 1
10M의 NaOH 수용액 200 ml에 이산화티탄 분말(Degussa P25)을 4g 넣고 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 다음 이 혼합용액을 120 ℃에서 24 시간 동안 환류반응시켜 티타네이트 분말을 튜브구조로 변화시킨 후, 물로 3회 이상 세척하여 최종적으로 티타네이트 나노튜브를 얻었다.
4 g of titanium dioxide powder (Degussa P25) was added to 200 ml of 10 M NaOH aqueous solution, and a mixed solution was prepared. Next, the mixed solution was refluxed at 120 ° C. for 24 hours to change the titanate powder into a tube structure, and then washed three times or more with water to finally obtain titanate nanotubes.
[비교예 2]Comparative Example 2
비교예 1의 분말 1g을 0.1M의 HNO3을 함유하는 100ml 수용액에 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 이 혼합용액을 80℃에서 24시간 동안 환류반응시킨 후, 물로 3회 이상 세척하였다.
1 g of the powder of Comparative Example 1 was added to a 100 ml aqueous solution containing 0.1 M HNO 3 to prepare a mixed solution. The mixed solution was refluxed at 80 ° C. for 24 hours, and then washed three times or more with water.
[실시예 1] Example 1
비교예 1의 분말 1g을 0.1M의 HNO3 및 0.1M의 NaF를 함유하는 100ml 수용액에 첨가하고, 이 혼합용액을 80℃에서 24시간 동안 환류반응시킨 후, 물로 3회 이상 세척하였다.
1 g of powder of Comparative Example 1 was dissolved in 0.1 M HNO 3. And it was added to a 100ml aqueous solution containing 0.1M NaF, the mixed solution was refluxed at 80 ℃ for 24 hours, and then washed three times or more with water.
[실시예 2] [Example 2]
비교예 1의 분말 1g을 0.1M의 HNO3 및 0.1M의 NH4H2PO4를 함유하는 100ml 수용액에 첨가하고, 이 혼합용액을 80℃에서 24시간 동안 환류반응시킨 후, 물로 3회 이상 세척하였다.
1 g of powder of Comparative Example 1 was dissolved in 0.1 M HNO 3. And 0.1 M NH 4 H 2 PO 4 was added to a 100 ml aqueous solution. The mixed solution was refluxed at 80 ° C. for 24 hours, and then washed three times or more with water.
도 2는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 사진이다(도 2a: 비교예 1, 도 2b: 비교예 2, 도 2c: 실시예 1, 도 2d: 실시예 2). 도 2a와 도 2b를 비교하면, 산처리 과정 없이 제조한 비교예 1의 티타네이트 나노튜브의 경우 광촉매 활성에 주로 기여하는 아나타제 결정상의 이산화티탄이 나타나지 않음을 알 수 있다. 반면, 산처리 단계까지 거치는 비교예 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 경우 나노튜브상에 아나타제 입자들이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 또한 수백 나노미터에 이르는 루타일 입자가 생성되었음을 확인할 수 있었다. 이는, 산처리 단계를 통해서 기존 티타네이트 나노튜브상에서 아나타제 혹은 루타일 결정상의 이산화티탄입자들이 생성된다는 것을 말해주는 것이다.2 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) photograph of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2 (FIG. 2A: Comparative Example 1 and FIG. 2B: Comparative Example 2 and FIG. 2). 2c Example 1, FIG. 2D Example 2). Comparing FIG. 2A and FIG. 2B, it can be seen that the titanate nanotubes of Comparative Example 1 prepared without an acid treatment did not show titanium dioxide in the anatase crystal phase, which mainly contributes to photocatalytic activity. On the other hand, in the case of titanate nanotubes prepared according to Comparative Example 2 subjected to the acid treatment step, it was confirmed that the anatase particles were produced on the nanotubes, and it was also confirmed that rutile particles of several hundred nanometers were produced. This indicates that the acid treatment step produces titanium dioxide particles in anatase or rutile crystals on the existing titanate nanotubes.
도 2c에 나타낸 실시예 1은 비교예 1의 나노튜브에 비교예 2와 같은 농도로 산처리를 하면서, NaF를 같은 농도로 넣어 제조한 것이다. 도 2d에 나타낸 실시예 2는 비교예 1의 나노튜브에 비교예 2와 같은 농도로 산처리를 하면서, NH4H2PO4를 같은 농도로 넣어 제조한 것이다. 비교예 1과 실시예 1, 2의 가장 큰 차이점은 산처리 과정의 유무이며, 기존의 티타네이트 나노튜브에 산처리를 하면 광활성이 좋다고 알려진 아나타제 결정상이 생기는 것을 확인할 수 있다. 비교예 2와 실시예 1, 2의 차이점은 티타네이트 나노튜브에 대한 표면처리의 유무이며, 같은 농도의 산처리 과정을 거치는 동안 기존의 산처리 방법에 따라 실시한 비교예 2의 나노튜브에는 아나타제 결정상의 생성 뿐 아니라, 루타일 결정상으로의 전이도 함께 발생함을 확인할 수 있다. 반면, 같은 농도로 산처리를 한 실시예 1, 2는 아나타제 결정상이 생성되었고, 루타일로의 결정상의 전이는 볼 수 없었다. 이로부터 불소 이온과 인산 이온이 아나타제 입자를 함유한 티타네이트 나노튜브의 표면에 작용하여 결정상의 전이를 막는 역할을 한다는 것을 알 수 있다.Example 1 shown in Figure 2c is prepared by putting NaF at the same concentration, while the acid treatment to the nanotubes of Comparative Example 1 at the same concentration as in Comparative Example 2. Example 2 shown in Figure 2d is prepared by putting the NH 4 H 2 PO 4 in the same concentration while the acid treatment to the nanotubes of Comparative Example 1 at the same concentration as in Comparative Example 2. The biggest difference between Comparative Example 1 and Examples 1 and 2 is the presence or absence of an acid treatment process, and it can be seen that the acid treatment of existing titanate nanotubes results in the formation of an anatase crystal phase known to have good photoactivity. The difference between Comparative Example 2 and Examples 1 and 2 is the presence or absence of surface treatment for titanate nanotubes, and the anatase crystals were applied to the nanotubes of Comparative Example 2 which were carried out according to the existing acid treatment method during the same concentration of acid treatment. In addition to the formation of the phase, it can be seen that the transition to the rutile crystal phase also occurs. On the other hand, in Examples 1 and 2 subjected to acid treatment at the same concentration, anatase crystal phases were produced, and no transition of the crystal phases to rutile was observed. From this, it can be seen that fluorine ions and phosphate ions act on the surface of the titanate nanotubes containing anatase particles, thereby preventing the transition of crystal phases.
도 3은 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 X-선 회절분석기 (XRD) 분석 결과이다. 도 3의 결과는 각 티타네이트 나노튜브의 결정상 구조를 나타낸다. 산처리 과정을 거친 비교예 2는 27-28°에서 나타나는 루타일 결정상을 크게 띠고 있음을 확인할 수 있다. 반면, 표면처리 물질을 넣어 산처리 과정을 거친 실시예 1, 2는 24-25°에서 나타나는 아나타제 결정 구조를 보여주고 있으며, 27-28°의 루타일 피크는 보이지 않는다. 이를 통해서 표면 처리 물질을 넣은 산처리 티타네이트 나노튜브는 루타일로의 결정상 전이가 일어나지 않음을 알 수 있다.FIG. 3 shows X-ray diffractometer (XRD) analysis results of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. FIG. The results in FIG. 3 show the crystal phase structure of each titanate nanotube. It can be seen that Comparative Example 2, which had undergone the acid treatment, had a large rutile crystal phase appearing at 27-28 °. On the other hand, Examples 1 and 2, which were subjected to an acid treatment with a surface treatment material, showed the anatase crystal structure appearing at 24-25 °, and the rutile peak of 27-28 ° was not seen. Through this, it can be seen that the acid-treated titanate nanotubes containing the surface treatment material do not undergo crystal phase transition to rutile.
도 4는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 확산 반사 분광 (DRS) 분석 결과이다. 확산 반사 분광의 흡광도는 반사율(Reflectance)을 측정하여 이를 쿠벨카-뭉크(Kubelka-munk) 공식을 사용하여 전환한 값을 그래프로 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이 티타네이트 나노튜브는 가시광 영역의 빛을 흡수하지 않음을 알 수 있으며, 이들의 자외선 흡광도는 비교예 2, 실시예 2, 실시예 1, 비교예 1의 순서로 더 긴 파장의 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다. 이는 티타네이트 나노튜브의 밴드갭 보다 이산화티탄의 밴드갭이 더 작기 때문에 이산화티탄 입자를 함유하고 있는 실시예 1, 2가 더 긴 파장의 빛을 흡수할 수 있는 것으로 여겨지며, 비교예 2는 이산화티탄보다 낮은 밴드갭을 가지는 루타일 상으로의 전이로 인해 가장 긴 파장의 빛을 흡수할 수 있는 것이라 생각된다.4 shows the results of diffuse reflection spectroscopy (DRS) analysis of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. FIG. The absorbance of the diffuse reflectance spectra was plotted by measuring the reflectance and converting it using the Kubelka-munk formula. As shown in FIG. 4, it can be seen that the titanate nanotubes do not absorb light in the visible region, and their ultraviolet absorbances are longer in order of Comparative Example 2, Example 2, Example 1, and Comparative Example 1. You can see that it absorbs light. It is believed that Examples 1 and 2 containing titanium dioxide particles can absorb light of longer wavelengths because the band gap of titanium dioxide is smaller than that of titanate nanotubes, and Comparative Example 2 is titanium dioxide. It is believed that the transition to the rutile phase with lower bandgap can absorb light of the longest wavelength.
본 명세서에 개시된 기술의 비교예 및 실시예에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 비표면적 분석 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
Specific surface area analysis results of titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples and Examples of the technology disclosed herein are shown in Table 1 below.
산처리 과정을 거친 비교예 2의 경우 루타일 결정상의 생성으로 오히려 기존의 티타네이트 나노튜브인 비교예 1보다 낮은 비표면적을 가진다. 반면에, NaF와 NH4H2PO4와 같은 티타네이트 흡착 물질로 표면 처리 한 실시예 1과 실시예 2에서는 기존의 티타네이트 나노튜브에 아나타제 결정상이 형성되어 더 큰 비표면적을 갖게 되는 것을 확인할 수 있다.The acid treatment process of Comparative Example 2 has a lower specific surface area than that of Comparative Example 1, which is a conventional titanate nanotube due to the generation of a rutile crystal phase. On the other hand, in Examples 1 and 2 surface-treated with titanate adsorbents such as NaF and NH 4 H 2 PO 4 , it was confirmed that the anatase crystal phase was formed on existing titanate nanotubes to have a larger specific surface area. Can be.
도 5는 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 자외선 조사에 따른 메틸렌블루의 분해 정도를 비교한 그래프이다. 메틸렌블루 분해 실험은 각 티타네이트 나노튜브 분말 0.05 중량%를 200 μM 메틸렌블루 10중량% 수용액에 넣고 pH를 조절한 후 30분 정도 교반하고 여기에 300nm 이상의 자외선 빛을 2시간 동안 조사하면서 메틸렌블루 분해 정도를 측정한 것이다. 도 5에 나타낸 결과로부터 아나타제 결정상을 유지하는 실시예 1과 실시예 2가 분해 속도가 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 이는 도 5의 결과에서 알 수 있었듯이, 비표면적이 크고 높은 광활성을 가지는 아나타제 결정상의 존재가 메틸렌블루 분해에 영향이 있다고 생각할 수 있다.5 is a graph comparing the degree of decomposition of methylene blue according to ultraviolet irradiation of the titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. The methylene blue decomposition experiment was carried out by adding 0.05 wt% of each titanate nanotube powder to a 10 μm aqueous solution of 200 μM methylene blue, adjusting the pH, stirring for 30 minutes, and irradiating with UV light over 300 nm for 2 hours. It is a measure of accuracy. From the results shown in FIG. 5, it can be seen that Example 1 and Example 2 which hold | maintain anatase crystal phase have a faster decomposition rate. As can be seen from the results of FIG. 5, it can be considered that the presence of anatase crystal phase having a large specific surface area and high photoactivity has an effect on methylene blue decomposition.
도 6은 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 따라 제조된 티타네이트 나노튜브의 자외선 조사에 따른 아세트알데히드의 분해 정도를 비교한 그래프이다. 휘발성 유기물인 아세트알데히드의 분해 실험은 각 티타네이트 나노튜브 분말을 5mg/ml 농도의 수용액으로 만들어 잘 분산시키고 그 중 5ml를 취하여 건조시킨 후 반응기에서 2시간 동안 300nm 이상의 자외선 빛을 조사하면서 분해량을 측정하는 방식으로 수행되었다. 도 6에 나타난 결과로부터 산처리 과정 중에 아나타제 결정상을 유지한 실시예 1과 실시예 2에서 휘발성 유기물을 분해하는데 더 유리하다는 것을 확인할 수 있다. 이는 동일한 농도로 산처리를 했을 때, 표면에서 아나타제 결정상이 루타일 결정상으로 전이되는 것을 방지해주는 티타네이트 흡착 물질의 영향이라 생각된다.6 is a graph comparing the decomposition degree of acetaldehyde according to ultraviolet irradiation of the titanate nanotubes prepared according to Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2. The decomposition experiment of volatile organic acetaldehyde was made by dispersing each titanate nanotube powder into an aqueous solution of 5 mg / ml concentration, taking 5 ml of it, and drying it. It was carried out in a way to measure. From the results shown in Figure 6 it can be seen that in Example 1 and Example 2, which retained the anatase crystal phase during the acid treatment, it is more advantageous to decompose the volatile organics. This is thought to be the effect of titanate adsorbent material which prevents the anatase crystal phase from transferring to the rutile crystal phase on the surface when acid treated at the same concentration.
상술한 제조방법에 의하면, 티타네이트 나노튜브에 산처리 과정을 함으로써 아나타제 결정상이 형성되며, 이와 동시에 NaF와 NH4H2PO4의 티타네이트 흡착 물질을 첨가하여 표면 처리함으로써 산처리로 인한 루타일 상으로의 결정상 전이를 막아 광활성이 좋은 아나타제 결정상을 포함하는 티타네이트 나노튜브를 유지함으로써 더 높은 광촉매적 기능을 띠는 티타네이트 나노튜브를 제조할 수 있다.According to the above-described manufacturing method, the anatase crystal phase is formed by performing an acid treatment process on the titanate nanotubes, and at the same time, rutile due to acid treatment by adding a titanate adsorption material of NaF and NH 4 H 2 PO 4 to surface treatment The titanate nanotubes having higher photocatalytic function can be prepared by preventing the transition of crystal phases to the phase and maintaining the titanate nanotubes containing the anatase crystal phase with good photoactivity.
또한 상술한 방법으로 제조된 고효율의 아나타제 이산화티탄 입자를 함유하는 표면 처리된 티타네이트 나노튜브는 광촉매 분야, 센서 분야, 수소 저장 분야 및 태양전지 분야 등 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들어 상기 아나타제 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 전극물질로 사용하는 수소생성 장치, 상기 아나타제 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 가스감지 소재로 사용하는 가스감지 장치, 상기 아나타제 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브로 코팅된 필터, 섬유 및 의류 등에 응용될 수 있다.In addition, the surface-treated titanate nanotubes containing the high-efficiency anatase titanium dioxide particles produced by the above-described method can be applied to various applications such as photocatalyst field, sensor field, hydrogen storage field and solar cell field. For example, a hydrogen generating device using the anatase titanium dioxide-containing titanate nanotubes as an electrode material, a gas sensing device using the anatase titanium dioxide-containing titanate nanotubes as a gas sensing material, and the anatase titanium dioxide-containing titanate nano It can be applied to filters coated with tubes, textiles and clothes.
Claims (9)
(b) 상기 티타네이트 나노튜브 분말을 강산 수용액 및 티타네이트 흡착 물질과 반응시켜 아나타제 결정상을 갖는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브를 얻는 단계를 포함하며,
상기 티타네이트 흡착 물질은 불소이온(F-), 인산이온(PO4 3-) 및 규산이온(SiO4 4-) 중 적어도 어느 하나를 함유하는 염인 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.(a) reacting titanium dioxide in a strong alkaline aqueous solution to obtain a titanate nanotube powder; And
(b) reacting the titanate nanotube powder with an aqueous strong acid solution and titanate adsorbent to obtain a titanium dioxide-containing titanate nanotube having an anatase crystal phase,
The titanate adsorbent material is a salt containing at least one of fluorine ion (F − ), phosphate ion (PO 4 3- ) and silicate ion (SiO 4 4- ).
상기 강알칼리 수용액은 LiOH, NaOH, 및 KOH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수용액인 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The strong alkaline aqueous solution is a method for producing titanium dioxide-containing titanate nanotubes are at least one aqueous solution selected from the group consisting of LiOH, NaOH, and KOH.
상기 강알칼리 수용액의 농도는 5 내지 20M인 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The concentration of the strong alkaline aqueous solution is a method for producing a titanium dioxide-containing titanate nanotubes of 5 to 20M.
상기 (a) 단계의 상기 반응은 50 내지 180℃에서 10 내지 60 시간동안 환류 반응시켜 수행되는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The reaction of step (a) is a method for producing titanium dioxide-containing titanate nanotubes are carried out by refluxing for 10 to 60 hours at 50 to 180 ℃.
상기 강산 수용액은 HCl, HNO3, 및 H2SO4로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The strong acid aqueous solution is a method of producing a titanium dioxide-containing titanate nanotubes of at least one selected from the group consisting of HCl, HNO 3 , and H 2 SO 4 .
상기 강산 수용액의 농도는 0.05 내지 5M인 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The concentration of the strong acid aqueous solution is 0.05 to 5M Titanium dioxide-containing titanate nanotube manufacturing method.
상기 (b) 단계의 상기 반응은 40 내지 120℃에서 4 내지 40 시간 동안 환류반응시켜 수행되는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The reaction of step (b) is a method for producing titanium dioxide-containing titanate nanotubes are carried out by refluxing for 4 to 40 hours at 40 to 120 ℃.
상기 티타네이트 흡착 물질은 염의 형태를 가지며 수용액 내에서 해리되어 상기 티타네이트 나노튜브와 정전기적으로 결합할 수 있는 음이온을 생성하는 이산화티탄 함유 티타네이트 나노튜브의 제조방법.The method according to claim 1,
The titanate adsorbent material has a salt form and is dissociated in an aqueous solution to produce an anion capable of electrostatically bonding with the titanate nanotubes.
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