Titanium 양극산화를 이용한 TiO_(2) 광촉매 제조 및 반응특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

광촉매 산화반응에 TiO_(2) 분말을 사용할 경우, 분리 및 회수 공정이 필요하기 때문에 광촉매 고정화는 반드시 필요하다. 그리고 광촉매 산화 공정에서 electron-hole 재결합과 이온과 OH radical의 결합이 반응속도를 낮추는 원인이 되고 있다.
이에 본 연구에서는, titanium을 양극산화하여 TiO_(2) film을 고정하였으며, TiO_(2) film이 형성된 titanium에 electrical potential을 걸어주어 광촉매 산화반응 효율을 상승시키고자 하였다.
양극산화는 전류밀도, 전압 그리고 황산 전해질의 농도를 달리하여 실험하였고, SEM, XRD 그리고 methylene blue의 분해를 통하여 광촉매 특성을 알아보았으며, TiO_(2) film이 형성된 titanium plate의 전극효과를 확인하기 위하여 0.01A의 전류와 85의V 전압을 걸어주었다.
SEM 분석결과, 전압과 전해질의 농도가 증가함에 따라 film의 기공 크기와 두께가 증가하였으나, 전류밀도 변화에 대한 영향은 나타나지 않았다. XRD 분석 결과, 180V, 0.25M H_(2)SO_(4) 그리고 110mA/㎠의 전류밀도에서 rutile 구조가 나타났으며, 적용 전압과 전해질의 농도가 증가할수록 anatase와 rutile 결정이 증가하였다. 그러나 SEM 결과와 같이, 전류밀도의 변화에 따른 결정구조의 변화는 크게 나타나지 않았다.
Methylene blue의 분해 결과, 최대 85%의 분해효율을 나타냈으며, TiO_(2) film이 형성된 titanium에 electrical potential을 걸어주었을 경우, 광촉매 산화반응보다 5배 빠른 분해속도를 나타내었고 sol-gel coating된 TiO_(2) 보다 더 빠른 분해 효율을 나타내었다.
따라서 TiO_(2) film이 형성된 titanium에 electrical potential을 걸어주었을 경우, electron-hole의 재결합이 효율적으로 억제되어 광촉매 산화반응 효율을 향상시킬 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In UV/TiO_(2) photocatalytic system which was usually applied to the treatment of non-decomposable material, powder type of TiO_(2) was generally used as a photocatalyst. However, it is hard to separate and recycle. And the recombination of electron-hole and the elimination of hydroxyl radical by ions decrease the efficiency of photocatalytic reaction. Moreover, photocatalytic reaction rate was decreased by diminishment of surface area coated TiO_(2).
In this study anodizing was introduced to manufacture immobilized TiO_(2) thin film suitable for electrode enhancing the efficiency of photocatalytic reaction.
TiO_(2) thin film was formed by anodizing the surface of titanium plate in sulfuric acid electrolyte with high voltage, and characterized by SEM, XRD and degradation of methylene blue. In addition, the electrode effect was researched by photocatalytic reaction with electrical potential applied between two anodized Ti plates.
The photographs of SEM showed that the pore size and thickness of TiO_(2) thin film increase as the concentration of electrolyte and applied voltage increase. However, the change in current density did not affect the pore size and thickness of TiO_(2) thin film. XRD patterns indicated that rutile structure appears more than 180V with 0.25M H_(2)SO_(4) and 110mA/㎠. Moreover, both anatase and rutile crystals increased as the concentration of electrolyte and applied voltage increase. But most of crystalline structures of TiO_(2) film were uniform as current density was changed.
The decomposition experiment of methylene blue showed degradation ratio of 85% at maximum. Furthermore, the degradation rate got faster about five times by using anodized TiO_(2) as photocatalyst and electrode. Also, anodized TiO_(2) with applying electrical potential indicated higher reaction rate than sol-gel coated TiO_(2).
From above results, it is concluded that TiO2 thin film prepared by anodizing promote photocatalytic reaction as electrode and photocatalyst.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• List of Tables = ⅳ
• List of Figures = ⅴ
• 논문개요 = ⅶ
• 제1장 서론 = 1
• 제1절 연구의 배경 = 1
• 제2절 역사적 고찰 = 2
• 1. 광촉매 고정화 = 2
• 2. 광측매 반응의 효율 향상 = 5
• 제3절 연구의 목적 = 7
• 제2장 본론 = 8
• 제1절 반도체 광촉매의 기본적 이론 = 8
• 1. 광촉매의 정의 = 8
• 2. 반도체 광촉매의 조건 = 8
• 3. 반도체 광촉매의 반응 원리 = 11
• 4. 광촉매 반응에 영향을 미치는 인자 = 17
• 4.1 촉매의 양 = 17
• 4.2 빛의 파장 = 18
• 4.3 초기농도 = 18
• 4.4 온도 = 18
• 4.5 광량 = 19
• 4.6 산소양 = 21
• 제2절 양극산화 = 21
• 제3절 실험 = 24
• 1. 양극산화 실험 방법 및 장치 = 24
• 2. 광촉매 반응 실험방법 및 장치 = 24
• 제4절 실험 결과 및 고찰 = 28
• 1. 양극산화 조건에 따른 전압과 전류의 변화 = 28
• 2. TiO_(2) film의 전자현미경(SEM)분석 = 33
• 2.1 TiO_(2) film의 두께 분석 = 33
• 2.1.1 전압의 변화에 따른 TiO_(2) film의 두께 변화 = 33
• 2.1.2 전해질 용액의 농도 변화에 따른 TiO_(2) film의 두께 변화 = 33
• 2.1.3 전류밀도 변화에 따른 TiO_(2) film의 두께 변화 = 36
• 2.2 TiO_(2) film의 표면분석 = 36
• 2.2.1 전압의 변화에 따른 TiO_(2) film의 표면 특성 = 36
• 2.2.2 전해질 용액의 농도 변화에 따른 TiO_(2) film의 표면 특성 = 39
• 2.2.3 전류밀도 변화에 따른 TiO_(2) film의 표면 특성 = 41
• 3. XRD에 의한 TiO_(2) film의 결정구조 분석 = 43
• 3.1 전압의 변화에 따른 TiO_(2) film의 결정구조 변화 = 43
• 3.2 전해질 용액의 농도 변화에 따른 TiO_(2) film의 결정구조 변화 = 43
• 3.3 전류밀도 변화에 따른 TiO_(2) film의 결정구조 변화 = 46
• 4. Sol-Gel coating TiO_(2) film의 특성 분석 = 46
• 5. 양극산화를 통해 제조된 TiO_(2)를 이용한 methylene blue 분해 반응 = 50
• 5.1 전압의 변화에 따른 광촉매 반응 특성 = 50
• 5.2 전해질 용액의 농도 변화에 따른 광촉매 반응 특성 = 53
• 5.3 전류밀도 변화에 따른 광촉매 반응 특성 = 56
• 5.4 전극효과에 따른 광촉매 반응특성 = 56
• 5.5 Sol-Gel coating TiO_(2) film의 광촉매 반응특성 = 61
• 제3장 결론 = 64
• 참고문헌 = 65
• Abstract = 70