Applied Chemistry for Engineering (공업화학)

The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry (한국공업화학회)
권호 표지

Synthesis of TiO2-xNx Using Thermal Plasma and Comparison of Photocatalytic Characteristics

열플라즈마에 의한 TiO2-xNx의 합성 및 광촉매 특성 비교

  • Kim, Min-Hee (Department of Chemical Engineering and RIC-ETTP (Regional Innovation Center for Environmental Technology of Thermal Plasma), Inha University) ;
  • Park, Dong-Wha (Department of Chemical Engineering and RIC-ETTP (Regional Innovation Center for Environmental Technology of Thermal Plasma), Inha University)
  • 김민희 (인하대학교 화학공학과/열플라즈마환경기술연구센터) ;
  • 박동화 (인하대학교 화학공학과/열플라즈마환경기술연구센터)
  • Received : 2007.12.24
  • Accepted : 2008.04.14
  • Published : 2008.06.10
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Abstract

$N_2$ doped $TiO_2$ nano-sized powder was prepared using a DC arc plasma jet and investigated with XRD, BET, SEM, TEM, and photo-catalytic decomposition. Recently the research interest about the nano-sized $TiO_2$ powder has been increased to improve its photo-catalytic activity for the removal of environmental pollutants. Nitrogen gas, reacting gas, and titanium tetrachloride ($TiCl_4$) were used as the raw materials and injected into the plasma reactor to synthesize the $N_2$ doped $TiO_2$ power. The particle size and XRD peaks of the synthesized powder were analyzed as a function of the flow rate of the nitrogen gas. Also, the characteristics of the photo-catalytic decomposition using the prepared powder were studied. For comparing the photo-catalytic decomposition performance of $TiO_2$ powder with that of $TiO_2$ coating, $TiO_2$ thin films were prepared by the spin coating and the pulsed laser deposition. For the results of the acetaldehyde decomposition, the photo-catalytic activity of $TiO_{2-x}N_x$ powder was higher than that of the pure $TiO_2$ powder in the visible light region. For the methylene blue decomposition, the decomposition efficiency of $TiO_2$ powder was also higher than that of $TiO_2$ film.

$TiO_2$의 가장 큰 특징은 광촉매적 특성을 들 수 있으나 순수한 $TiO_2$는 자외선 영역에서만 활성을 보이는 단점이 있다. 단점을 보완하고자 본 연구에서는 초고온, 고활성을 이용한 열플라즈마 공정으로 질소가 도핑된 $TiO_2$를 합성하여 $TiO_2$의 광촉매적 특성을 높이고자 하였다. 직류 플라즈마 제트를 이용하여 비금속이온인 질소와 반응 가스인 산소를 $TiCl_4$와 함께 플라즈마 반응기 안에서 반응시켜 질소가 도핑된 $TiO_2$ 나노 분말을 합성하였다. 합성 조건으로 질소의 유량을 변화하였다. 합성 변수에 따른 입자의 상조성, 크기를 분석하였고 아세트알데히드와 곰팡이를 광분해하는 실험을 통해 광촉매 활성을 살펴보았다. 한편 $TiO_2$의 분말 상태와 코팅된 상태의 광촉매 특성을 비교하고자 합성한 분말의 스핀 코팅과 PLD (Pulsed Laser Deposition)을 통해 $TiO_2$를 코팅하였다. 아세트알데히드 분해 실험의 결과 질소가 도핑된 $TiO_2$ 분말의 경우가 순수한 $TiO_2$ 분말에 비해 가시영역에서의 광촉매 활성이 두 배 이상 뛰어난 것을 확인하였으며, 곰팡이 분해 실험 결과 역시 질소가 도핑된 $TiO_2$ 분말에 곰팡이가 분해되는 것을 확인하였다. 분말과 필름을 제조하여 메틸렌블루 광분해 실험한 결과 분말의 경우 100% $TiO_2$입자가 메틸렌블루 분해에 이용되며, 반면 스핀 코팅의 경우 바인더의 함량 때문에 20~30%의 $TiO_2$만이 분해에 이용되기 때문에, 분말의 경우 초기 30 mL 메틸렌블루를 한번에 분해할 수 있었다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 인하대학교

References

  1. J. Yang, D. Li, X. Wang, X. Yang, and L. D. Lu, J. Solid State Chem., 165, 193 (2002) https://doi.org/10.1006/jssc.2001.9526
  2. M. Sokmen and A. Ozkan, J. Photochemistry and Photobiology A: Chem., 147, 77 (2002) https://doi.org/10.1016/S1010-6030(01)00627-X
  3. N. Inoue, H. Yuasa, and M. Okoshi, Appli. Surface Sci., 197-198, 393 (2002) https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00347-1
  4. U. Gesenhues, J. Photochemistry and Photobiology A: Chem., 139, 243 (2001) https://doi.org/10.1016/S1010-6030(00)00429-9
  5. 타오다 히로시, 알기쉬운 광촉매 이야기, 전남대학교 출판부, (2004)
  6. D.-W. Park, and S.-M. Oh, Thermal Plasma Processing with Applications, 124 Inha University Press (2004)
  7. Y. Suda, H. Kawasaki, J. Namba, K. Iwatsuji, K. Doi, and K. Wada, Surface & Coatings Technology, 174-175, 1293 (2004) https://doi.org/10.1016/S0257-8972(03)00530-9
  8. H. Shinguu, M. M. H. Bhuiyan, T. Ikegami, and K. Ebihara, Thin Solid Films, 506-507, 114 (2006)
  9. R. A. Spur and H. Myers, Analy. Chem., 29, 760 (1957) https://doi.org/10.1021/ac60125a006
  10. Y. Suda, H. Kawasaki, T. Ohshima, S. Nakashima, S. Kawazoe, and T. Toma, Thin Solid Films, 507, 115 (2007) https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.125