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KR20110135448A - 티타늄합금의 양극산화에 의한 광촉매용 혼합산화물 나노튜브 제조 - Google Patents

티타늄합금의 양극산화에 의한 광촉매용 혼합산화물 나노튜브 제조 Download PDF

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KR20110135448A
KR20110135448A KR1020100055168A KR20100055168A KR20110135448A KR 20110135448 A KR20110135448 A KR 20110135448A KR 1020100055168 A KR1020100055168 A KR 1020100055168A KR 20100055168 A KR20100055168 A KR 20100055168A KR 20110135448 A KR20110135448 A KR 20110135448A
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nanotubes
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KR1020100055168A
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박민우
Original Assignee
경성대학교 산학협력단
주식회사 파인테크윈
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Publication date
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Abstract

본 발명은 대표적인 광촉매 물질인 n-형 반도체인 이산화티탄 (TiO2)에 Fe, Cu, V 등의 금속원소를 도핑하여 Ti-M-O2 (M은 Fe, Cu, V 등의 금속)의 산화물을 제조하는 방법이다. 동시에 제조된 복합산화물을 나노튜브(nanotube)의 형태로 제조할 수 있는 방법이다. Fe, Cu, V 등의 금속원소가 도핑된 Ti-M-O2의 산화물은 이산화티탄 반도체보다 밴드갭(Band gap)이 감소하여, 가시광 응답성이 우수한 광촉매로서의 기능을 향상시키는 방법이다. 따라서 기능성이 우수한 나노튜브의 구조 및 밴드갭이 개선된 Ti-M-O2 복합산화물 나노튜브를 제조할 수 있는 기술이다.
이를 위하여 본 발명은 먼저 Ti-Fe, T-Cu, Ti-V 등의 합금을 아아크 용해법으로 제조하는 단계, 제조된 합금덩어리를 얇은 두께의 판으로 절단하는 단계, 이후 절단된 판상의 시편을 양극산화 방법으로 복합산화물 나노튜브를 제조하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
광촉매, 나노튜브, 양극산화, 복합산화물 반도체, 이산화티탄

Description

티타늄합금의 양극산화에 의한 광촉매용 혼합산화물 나노튜브 제조 {Fabrication of photocatalytic mixed oxide nanotube by anodic oxidation of Ti alloys}
본 발명은 대표적인 광촉매 물질인 n-형 반도체인 이산화티탄 (TiO2)에 다른 Fe, Cu, V 등의 금속원소를 도핑하여 Ti-M-O2 (M은 Fe, Cu, V 등의 금속)의 산화물을 제조하는 방법이다. 동시에 금속원소가 도핑된 이산화티탄계 (Ti-M-O2) 복합산화물을 나노튜브 (nanotube)의 형태로 제조할 수 있다. 또한 금속원소가 도핑된 Ti-M-O2의 산화물은 이산화티탄 반도체보다 밴드갭 (Band gap)을 감소하여, 가시광 응답성이 우수한 광촉매로서의 기능이 향상된다. 따라서 기능성이 우수한 나노튜브의 구조 및 밴드갭이 개선된 이산화티탄계 (Ti-M-O2) 복합산화물 나노튜브를 제조할 수 있는 기술이다.
이를 위하여 본 발명은 먼저 Ti-Fe, T-Cu, Ti-V 등의 합금을 아아크 용해법으로 제조하는 단계, 제조된 합금덩어리를 얇은 두께의 판으로 절단하는 단계, 이후 절단된 판상의 시편을 양극산화 방법으로 복합산화물 나노튜브를 제조하는 단계 로 이루어진 것에 특징이 있다.
광촉매는 주로 나노크기의 이산화티탄 입자로서 빛을 촉매로 하여 자정작용(Self-Cleaning)과 초친수 작용을 하는 물질을 말한다. TiO2 광촉매는 n-형 반도체에 속하며 밴드갭이 약 3.0-3.2 eV 이다. 따라서 태양광이나 형광등의 자외선을 받으면 전자(e-)와 정공(h+)을 발생하며, 특히 정공(h+)은 강력한 산화작용을 가지는 수산화물(OH radical)을 형성하여 살균효능을 가지게 된다. 그러나 화학적으로는 안정한 TiO2는 밴드갭이 약 3.0-3.2 eV으로 높아서 가시광의 에너지로는 전자(e-)와 정공(h+)을 발생하지 못하여 효율이 매우 떨어진다 (도 1). 반면 도 1에 보는 바와 같이 Fe2O3, WO3 등의 밴드 갭은 TiO2 보다 매우 낮아 가시광 응답성이 우수하다. 그러나 Fe2O3, WO3 등은 화학적 안정성이 낮아 부식환경에서 사용이 어렵다. 따라서 TiO2에 Ti를 치환하여 다른 금속을 첨가하여 TiO2의 밴드갭 3.0-3.2 eV 보다 낮은 값을 갖는 광촉매를 제조하는데 있다.
광촉매는 또한 미세한 나노크기로 입자로 제조함으로서 비표면적이 넓어야 반응성이 높아 효율이 증가한다. 본 발명은 나노크기의 광촉매를 제조하기 위하여 양극산화법을 활용한다. 양극산화 방법을 활용하여 나노튜브 형태의 광촉매를 제조한다. 광촉매 나노튜브의 특성은 결정결함이 적고 체적대비 표면적이 커서 광에너지 흡수에 효율적이다. 미국 Pennsylvania 주립대학의 Grime 교수 그룹은 내경이 110nm, 두께 20nm이고 길이가 무려 6∼7mm의 길이에 달하는 TiO2 나노튜브를 양극산화에 의한 방법으로 제조하여 광촉매로 사용하였다.
[문헌1] J. of Photo. ＆ photobio. A, Chem. 178. (2006) p8.
TiO2는 밴드갭이 약 3.0-3.2 eV으로 높아서 태양광중의 가시광의 에너지로는 전자(e-)와 정공(h+)을 발생하지 못하여 효율이 떨어지는 문제점을 해결한다. 이를 위하여 이산화티탄 (TiO2)에 다른 금속원소를 도핑하여 낮은 밴드갭을 갖는 Ti-M-O2 (M은 Fe, Cu, V 등의 금속) 복합산화물 광촉매를 제조한다.
광촉매의 반응성을 더욱 향상시키기 위하여 나노크기의 복합산화물 광촉매를 나노튜브의 형태로 제조하여 반응성을 극대화 시킨다.
TiO2 는 밴드갭이 약 3.0-3.2 eV으로 높아서 가시광의 에너지로는 전자(e-)와 정공(h+)을 발생하지 못하여 효율이 매우 떨어짐으로 이산화티탄 (TiO2)에 다른 금속원소를 도핑하여 Ti-M-O2 의 낮은 밴드갭을 갖는 광촉매를 제조한다. 이를 위하여 Ti-Fe, T-Cu, Ti-V 등의 합금을 아아크 용해법으로 제조하는 단계, 제조된 합금덩어리를 얇은 두께의 판으로 절단하고 이들 시편을 양극산화 방법으로 Ti-M-O2의 복합산화물 나노튜브를 제조한다.
제조된 Ti-M-O2의 복합산화물은 나노튜브의 형태로 제조되어 반응성이 향상되어 반응성이 극대화 된다.
금속합금의 양극산화에 의한 저렴한 광촉매 도핑 기술 확보한다. 가시광흡수 가능한 Ti-M-O2 의 복합산화물 나노튜브막 제조 및 응용기술 확보한다. 가시광흡수 가능하여 제조된 복합산화물은 효율이 향상되어 광촉매의 기능이 향상된다.
TiO2 산화물에 금속 양이온을 도핑하여 낮은 밴드갭을 갖는 복합산화물 반도체로 제조하는 방법은 다음과 같다. 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫째, Ti-M (M은 Fe, V, Cu등의 금속) 금속합금을 만든다. 이를 위해 Ti와 합금원소을 적절한 비율로 혼합하고, 이후 아크용해방법으로 용해하여 합금을 제조한다. 이후 제조된 합금덩어리를 두께 1mm 이내의 박판형태로 절단한다.
둘째, 아크 용해후 응고된 금속합금을 복합산화물 반도체로 제조한다. 이를 위해 두께 1mm이내의 박판형태로 응고된 금속합금을 절단한다. 절단된 합금 박판을 양극산화하여 Ti-M-O2 의 분자식을 갖는 복합산화물 나노튜브를 제조한다. 양극산화 방법(도 2)은 0.1M NH4F 와 3 vol.％ H2O가 첨가된 ethylene glycol 용액을 사용 한다. 이때 양극은 절단된 절단된 합금 박판으로 하고 음극은 백급전극으로 한다. 양극과 음극사이의 전위차는 60V로 유지하고 양극사이의 거리는 5cm로 유지한다. 전 해질의 온도는 22℃를 유지하고 절단된 합금 박판을 양극 백금전극을 음극으로 한다.
셋째, 양극산화된 후의 복합산화물 나노튜브 (도 3)는 비결정질구조를 갖는다. 이를 열처리하여 원하는 구조의 상으로 변태시키어 결정화된 구조로 변태시키며 이때 조정된 밴드갭을 갖는 복합산화물 나노튜브로 제조하는 방법이다.
[문헌1] H. E. Prakasam, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese, C. A. Grimes, J.Phys.ChemC, 111 2007, p.7235.
도 1은 여러 종류의 반도체 재료의 에너지밴드
도 2는 Ti-Fe 합금을 양극산화한후에 형성된 Ti-M-O2 의 분자식을 갖는 복합산화물 나노튜브.
도 3은 양극산화장치의 개념도.

Claims (1)

  1. 본 발명은 산화티탄계 복합산화물 나노튜브 반도체를 제조하는 공정방법으로서, 반도체 산화물의 양이온에 해당되는 금속들을 도핑하는 방법으로서 금속합금을 제조하는 단계,
    용융응고된 금속합금을 양극산화에 의한 방법으로 나노튜브 복합산화물로 만드는 단계,의 방법이다.
    복합산화물 나노튜브를 열처리하여 원하는 구조의 상으로 변태시키며 조정된 밴드갭을 갖는 복합산화물 나노튜브로 제조하는 방법이다.
KR1020100055168A 2010-06-11 2010-06-11 티타늄합금의 양극산화에 의한 광촉매용 혼합산화물 나노튜브 제조 KR20110135448A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109675591A (zh) * 2018-12-17 2019-04-26 深圳信息职业技术学院 一种Fe(II)和或Cu(II)改性光催化材料的制备方法及其应用

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CN109675591A (zh) * 2018-12-17 2019-04-26 深圳信息职业技术学院 一种Fe(II)和或Cu(II)改性光催化材料的制备方法及其应用

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