합성 카본질화물 광촉매를 이용한 가시광선하에서 오염물질 제거

그리고 제가 연구 경험이 부족한 1년 반 동안 열심히 가르쳐주시고 도움을 주신 밀라드에게도 감사하다는 말씀 전하고 싶습니다. 먹고 싶은 것 말하면 항상 사주는 언니와 윤명진에게도 감사하다.

서론

따라서 TiO2의 한계로 인해 최근 g-C3N4가 대안으로 연구되고 있습니다. 중합 시 2D 층은 강한 반 데르 발스 힘으로 인해 화학적으로 안정합니다.

이론적 배경

광촉매의 이론과 메커니즘
TiO 2 광촉매의 한계

TiO 2 의 구조와 특징
TiO 2 광촉매의 한계

g-C 3 N 4 (Graphitic carbon nitride) .1 g-C 3 N 4

g-C 3 N 4 의 구조
g-C 3 N 4 의 장점
g-C 3 N 4 의 한계점
초분자형 고분자 (Supramolecular)

Tungsten oxide (WO 3 )
염료

Rhodamine B (Rh B)

항생제

Tetracycline (TC)

직접 재결합이 일어나면 광촉매 활성이 없고 광촉매 반응 효율이 감소한다[19]. 이러한 재결합을 방지하는 방법으로는 금속 및 비금속 도핑, 일반적인 금속산화물 이종접합, 나노구조 형성, 레늄, 루테늄, 로듐, 은, 백금 등의 귀금속 산화물 이종접합 등이 있다. TiO2는 정방정계 결정 구조를 나타내는 아나타제(anatase)와 루틸(rutile), 사방정계 결정 구조를 갖는 브루카이트(brookite)의 세 가지 유형으로 나타나는 다형체의 한 형태이다. (그림 3) 아나타제는 광흡수 특성이 뛰어나기 때문에 세 가지 유형에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 즉, 광여기 반응은 자외선 영역에서만 활성화된다는 한계가 있기 때문에 자연상태의 가시광선을 에너지원으로 직접 활용하는 것이 불가능하여 경제성이 떨어진다[26]. 태양에너지의 최대 효율을 달성하기 위해서는 가시광선에 반응하고 가시광선 하에서 활성을 갖는 광촉매에 대한 연구가 필요하다.

이 과정에서 전자와 정공이 재결합하면서 광촉매의 효율이 떨어지게 된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 여러 가지 방법이 제안되었습니다(그림 13). 보완 방법에는 금속 및 비금속 재료의 도핑, 금속 산화물 이종 접합 및 금속 산화물 이종 접합이 포함됩니다. 나노구조는 g-C3N4에 기공을 만들어 비표면적을 크게 향상시키는 방법이다.[30] 그러나 이 방법의 안전성은 확인되지 않았다.

그 중 하나가 초분자 조립 방법이다[31]. 초분자 조립은 작은 유기 분자가 비공유 수소 결합 상호 작용에 의해 조립되어 큰 초분자 구조를 형성하는 과정입니다 [ 32 ]. 이 방법에서는 전구체 사이에 수소결합이 형성되어 안정적인 구조를 갖게 된다. 또한 2가, 3가 금속이온과 킬레이트 화합물을 형성하며 실리카의 실라놀기와 강하게 결합한다[37.

Fig 2. Schematic illustration of photocatalytic mechanism

2.6.1.1 TC의 용도

연구목적

그러나 g-C3N4는 일반적으로 표면적이 작고 전자와 정공이 만나서 사라지는 재결합으로 인해 광촉매 효율이 낮습니다. 먼저, g-C3N4를 합성하기 위해 광촉매를 합성하였고, 멜라민, 시아누르산, 티오우레아를 이용하여 초분자 전구체를 제조하였고, WO3를 이용하여 이종접합을 합성하여 광촉매인 WO3-g-C3N4를 합성하였다. 다양한 분석 장비를 이용하여 합성된 물질의 물리적, 화학적 특성을 분석합니다.

물리화학적 특성을 분석하여 합성된 물질이 얼마나 효과적인지 증명하고자 합니다. 또한, Rh B와 TC 수용액을 이용하여 광촉매 활성 효율을 조사하였다. 본 실험을 통해 WO3와 g-C3N4 이종접합으로 합성된 광촉매의 가시광선 하에서 광분해 효율을 확인하여 WO3-g-C3N4를 이용한 오염물질 정화 가능성을 알아보고자 하였으며, 실험은 다음과 같이 진행하였다.

연구방법 1 연구재료

WO 3 을 이용한 광촉매 합성
촉매의 특성분석

SEM 분석
HR-TEM(고분해능 투과전자현미경)
EDS Spectra
Elemental Mapping
XRD (X-ray Diffractometry)
TGA(Thermogravimetric Analysis)

가시광선 하에서 광촉매 분해

시료를 비파괴적으로 분석할 수 있고, 정량분석이 가능하며, 분석속도가 빠르기 때문에 성분분석에 널리 사용되고 있다[4]. 본 실험에서 합성된 광촉매 성분의 분석을 확인하기 위해 사용되었다. 표면의 이물질 확인이나 작은 시료의 코팅 등 무기물 분석에 사용할 수 있습니다. 본 실험에서는 합성된 광촉매의 결정구조와 결정각을 확인하기 위해 사용되었다.

물질의 상전이와 상태는 연구나 구성 분석을 확인하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 장치를 통해 시료 내 특정 성분의 함량 분석을 확인할 수 있습니다. Rh B와 TC의 농도 변화를 분석하기 위해 30분~1시간 간격으로 시료를 분광광도계로 측정하고, 반응 전과 반응 후의 흡수강도를 비교하여 결과를 도출하였다.

광촉매 합성
광촉매의 특성 분석

SEM 분석
HR-TEM 분석
EDS Spectra 분석
Elemental Mapping 분석
XRD (X-ray Diffractometry) 분석
TGA(Thermogravimetric Analysis) 분석

광분해 활성

합성된 광촉매의 반응 시간에 따른 Rh B 제거 농도
합성된 광촉매의 반응 시간에 따른 TC 제거 농도

광분해 중간체 확인 (LC-MS 분석 이용 )

합성된 WO3-g-C3N4의 구조는 SEM 이미지를 이용하여 확인하였다(도 22). 나노시트의 구조는 SEM 이미지 결과를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 본 실험에서 합성된 광촉매가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다. 가시화 결과는 텅스텐으로 합성된 광촉매가 잘 합성되었음을 보여준다.

합성된 광촉매의 XRD 패턴이 WO3의 XRD 패턴과 일치함을 확인할 수 있다. CN-ML은 합성된 광촉매와 달리 멜라민만을 전구체로 사용한 대조 실험이다. 대조군인 CN-ML은 멜라민만을 전구체로 하여 순수한 g-C3N4를 합성하였다.

W/CN-SUP는 멜라민, 티오요소, 시아누르산을 전구체로 사용하여 초분자적으로 만든 후 텅스텐과의 이종접합을 통해 합성한 광촉매입니다. 따라서 합성된 광촉매의 활성이 대조군 CN-ML보다 우수함을 확인할 수 있다.

결론

Pollai, “Activation of TiO2 Photocatalysts by Visible Light: Advances in Theory and Experiments” Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. Synthesis and modification of carbon nitride material and its application in visible light contaminant removal. Various removal methods have been developed for the removal of difficult-to-degrade organic compounds, and among them are studies on the efficiency of cleaning difficult-to-degrade organic substances using a photocatalyst that reacts to visible light.

In this study, the photolysis efficiency of aqueous Rh B and TC solutions under visible light was investigated using the synthesized photocatalyst W-g-C3N4 (W/CN-SUP). The goal is to effectively remove contaminants by verifying that the synthesized photocatalyst designed to solve the problem of recombination is photodegradable under visible light. Under visible light, the concentrations of Rh B and TC aqueous solutions were 12 ppm and 20 ppm, respectively, the amount was prepared in 15 ml, and the photoactivity was confirmed by photolysis experiments.