소개글
"tio2 광촉매 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. TiO2 광촉매 개요
1.2. 광촉매 반응의 원리
1.3. TiO2 광촉매의 특성
2. 이론적 배경
2.1. 광촉매의 종류
2.2. TiO2 광촉매의 결정 구조
2.3. TiO2 광촉매 반응 메커니즘
2.4. TiO2 광촉매의 활용
3. 실험
3.1. TiO2 Dye degradation 실험
3.2. TiO2_Cu 15%, Ag 15% 합성
3.3. TiO2_Cu 15%, Ag 15% Dye degradation 실험
4. 결과 및 논의
4.1. 반응속도상수 분석
4.2. 일반 TiO2와의 비교
4.3. 광촉매 효율 향상 방안
5. 결론
5.1. 실험 결과 요약
5.2. 향후 연구 방향
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. TiO2 광촉매 개요
TiO2는 다양한 광촉매와 비교했을 때, 특정 물질에 대해서만 효율이 좋거나 유해 이온이 발생하지 않고 빛을 받아도 변하지 않아 반영구적이므로 사용범위가 제한적이지 않고 환경친화적인 광촉매이다. TiO2는 넓은 띠간격을 지니는 반도체임과 동시에 큰 양전위의 VB 위치를 보여 산화반응에 유리하다. 정공에 의한 산화반응은 정공과 화합물의 직접적인 반응과 hydroxyl radical 생성을 통한 간접적 반응으로 나뉜다. 그러나 많은 광촉매 산화반응이 정공과의 직접적 반응보다 hydroxyl radical과의 반응에 의해 개시된다. TiO2는 화학적, 광화학적 안정성이 뛰어나 강산과 강알칼리에 안정하며 빛이 조사되는 조건 아래에서 전하쌍이 고체격자 이온들과 직접 반응하여 반도체 물질 자체를 분해시키는 현상이 거의 없다. 또한 TiO2는 경제적이고 구하기 쉬우며, 간단히 합성할 수 있다. 이와 더불어, 가시광을 전혀 흡수하지 않으면서 태양광에 포함된 소량의 자외선 만으로도 충분히 활성화되어 다양한 난분해성 오염물질들을 완전 분해시킬 수 있고, 이러한 분해반응이 다른 산화물 반도체 광촉매 보다 높은 활성을 보인다. 이와 같은 이유로 TiO2 광촉매는 난분해성 오염물질의 분해반응에 성능이 뛰어나 환경정화용 촉매로서 각광받고 있으며, 환경정화 중심으로 다양한 기술과 연구로 이용되고 있다.
1.2. 광촉매 반응의 원리
광촉매 반응의 원리는 다음과 같다. 자외선이 조사된 광촉매 표면에서 생성된 hydroxyl radical, superoxide radical 등의 강한 산화력에 의해 광촉매 표면에 흡착된 물질을 분해한다. 대표적으로 산화환원 반응과 표면 친수화 반응이 광촉매 반응에 속한다. 산화환원반응은 일반적 촉매반응인 dark reaction 보다 낮은 온도에서 일어나며, 이에 따라서 생성물의 종류나 선택도가 변화한다. 일반적인 광촉매 반응은 다음과 같은 과정을 거친다. 첫째, 광(light)에 의한 촉매의 활성화(정공과 전자의 생성)이다. 둘째, 반응물이 주반응 흐름에서 벗어나 촉매 표면으로 확산(외부확산)한다. 셋째, 생성된 정공이 촉매 내부에서 촉매 표면으로 확산(내부확산)과 동시에 생성된 전자가 촉매 내부에서 금속쪽으로 확산(내부확산)한다. 넷째, 정공과 반응물이 반응(환원형 → 산화형)됨과 동시에 전자와 반응물이 반응(산화형 → 환원형)한다. 다섯째, 생성물이 촉매 표면에서 주반응흐름으로 확산(외부확산)한다. 이때, 정공과 전자의 생성량 및 속도는 광원의 위치, 광반응기의 종류, 광의 조사량, 반도체의 종류, 촉매의 농도 및 입자의 크기와 관계가 있다. 그리고 반응물과 정공 및 전자와의 반응은 촉매의 종류, 활성점의 종류와 수, 그리고 온도와 pH의 영향을 받는다. 표면 친수화 반응은 광조사 아래에서 TiO2 표면에 대기 중의 물 분자가 접근하면 물리적 흡착상태로 되면서, 전자쌍 반발의 원리로 인하여 수소 원자가 산소 원자의 중심에 위치하게 된다. 이러한 구조 위에 대기 중의 또 다른 물 분자가 접근하여 수소결합을 일으켜 결합하게 되는 메커니즘에 의해 광촉매가 친수성을 띄게 된다. 이와 같이 광촉매 반응은 복잡한 단계를 거치며, 반응 속도와 생성물 선택성 등에 다양한 인자가 영향을 미친다.
1.3. TiO2 광촉매의 특성
TiO2는 다양한 광촉매와 비교했을 때, 특정 물질에 대해서만 효율이 좋거나 유해 이온이 발생하지 않고 빛을 받아도 변하지 않아 반영구적이므로 사용범위가 제한적이지 않고 환경친화적인 광촉매이다. TiO2는 넓은 띠간격을 지니는 반도체임과 동시에 큰 양전위의 VB 위치를 보여 산화반응에 유리하다. 정공에 의한 산화반응은 정공과 화합물의 직접적인 반응과 hydroxyl radical 생성을 통한 간접적 반응으로 나뉘며, 많은 광촉매 산화반응이 정공과의 직접적 반응보다 hydroxyl radical과의 반응에 의해 개시된다. 정공에 의한 산화반응은 CB 전자의 효율적 제거가 동반되어야 가능하며 광촉매 반응에 있어서 O2가 전자받개의 역할을 한다. TiO2는 강산과 강알칼리에 안정하며 빛이 조사되는 조건 아래에서 전하쌍이 고체격자 이온들과 직접 반응하여 반도체 물질 자체를 분해시키는 현상이 거의 없어 화학적 안정성이 뛰어나다. 또한 TiO2는 공업적으로 대량생산이 되고 있어 경제적이고 간단히 합성할 수 있으며, 가시광을 전혀 흡수하지 않으면서 태양광에 포함된 소량의 자외선 만으로도 충분히 활성화되어 다양한 난분해성 오염물질들을 완전 분해시...
참고 자료
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한국과학기술정보원, “광촉매”, 한국과학기술정보연구원, 2002
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