TiO2의 비교 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12075(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 메트로니다졸 분해에 효과적인 촉매인 TiO2-Fe3O4 광촉매 합성 과정에서 기존 열수 처리와 마이크로파 처리를 직접 비교하는 데 중점을 두었습니다. 광촉매는 X선 회절, 라만 분광법, 투과 전자 현미경, 에너지 분산 X선 및 확산 반사 분광법을 포함한 다양한 특성 분석을 거쳤습니다. 라만 분광학 분석을 통해 기존의 열수 처리를 통해 얻은 물질은 아나타제와 자철석의 분리된 상으로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 반면, 마이크로파 공정을 사용하여 합성된 물질은 Eg 밴드(143cm-1)와 그 반폭이 더 높은 파수 쪽으로 눈에 띄게 이동하는 것을 보여주었습니다. 이러한 변화는 TiO2 격자에 Fe 이온이 도입되었기 때문에 발생하는 것 같습니다. 또한 SQUID 자기 측정을 통해 입증된 바와 같이 기존의 열수 및 마이크로파 합성 경로 모두 초상자성 특성을 갖는 TiO2-Fe3O4 시스템을 생성했습니다. TEM 분석 결과, 마이크로파 공정을 사용하여 합성된 물질은 눈에 띄는 큰 응집체가 관찰되지 않고 더 높은 균질성을 나타내는 것으로 나타났습니다. 마지막으로, 이 연구는 메트로니다졸을 제거하기 위해 TiO2-Fe3O4 광촉매의 광산화 특성을 효과적으로 활용하는 편리한 LED 광반응기를 제안했습니다. 광활성 TiO2-Fe3O4 촉매와 에너지 효율적인 LED 반응기를 결합하면 EEO(순수당 전기 에너지)가 낮아집니다.

현재의 글로벌 상황에서는 기후중립을 추구하기 위해 자연환경을 보호하는 것이 매우 중요합니다. 이 목표는 유럽 연합의 모든 국가에서 승인한 유럽 그린 딜(European Green Deal)1,2의 핵심입니다. 그러나 이용 가능한 에너지 자원을 능숙하게 활용하는 것도 중요합니다. 이제 그 어느 때보다 세계는 에너지 전략을 바꾸는 것이 기후 중립을 달성하고 세계 전력 시장에서 마음의 평화를 보장할 것이라고 보고 있습니다. 또한, 연구자들은 원하는 제품을 제조하기 위해 더욱 환경 친화적인 방법을 고려해야 하는 과제를 끊임없이 겪고 있습니다3. 친환경 화학의 기본 원칙 중 더 안전한 용매를 사용하려는 욕구와 에너지 효율성을 위한 설계는 재료 과학과 관련된 두 가지 핵심 원칙입니다4.

이산화티탄은 재료 과학에서 가장 광범위하게 연구된 분말 재료 중 하나이며 Scopus 데이터베이스에 거의 200,000개의 결과가 있습니다(접속 날짜 2023년 5월 10일). 그 인기는 유기 오염 물질의 광산화에 적합한 우수한 광촉매 특성에 기인합니다. 그러나 산업 폐수 처리에 이산화티타늄을 사용하는 것은 특정 단점으로 인해 제한됩니다5,6. 이러한 제한 중 하나는 공정 후 혼합물에서 TiO2를 분리하는 것이 어렵다는 것입니다. 또 다른 하나는 전자/정공 전하 캐리어의 높은 재결합 속도로, 이는 시간이 지남에 따라 공정 효율성을 감소시킵니다7. 이는 전체 공정 성능에 영향을 미치며 후속 공정에서 재사용하기 위해 광촉매를 회수하려면 TiO2 현탁액 분리에 상당한 투자가 필요합니다. 이산화티타늄 광촉매의 문제를 해결하기 위한 한 가지 가능한 전략은 공정 후 물질 분리를 개선할 수 있는 구성 요소를 통합하는 것입니다8,9. 두 가지 산화철의 혼합물인 자철석(Fe3O4)은 FeII 및 FeIII 전자의 불균형한 자기 기여로 인해 강자성 특성을 갖습니다10. 두 산화물의 특성을 조합하면 유기 오염물질의 광분해에 사용되는 자성 광촉매를 생산할 수 있습니다. 예를 들어, Chu et al.11은 향상된 광촉매 능력을 나타내는 탄소 기반의 안정적인 코어-쉘 TiO2@Fe3O4 시스템을 합성했습니다. 마찬가지로 Guo 등12은 메틸렌 블루 제거 활성이 향상된 TiO2/Fe3O4/그래핀 물질을 개발했습니다. 그러나 최종 시스템의 광산화 능력과 자기적 특성을 모두 보존하는 적절한 합성 방법을 선택하는 것은 연구자에게 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다13.