나노기술 및 정책 정보

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휘발성 유기화합물(VOCs, 예를 들면 벤젠 유형 및 알데히드 유형)은 환경과 인체에 비교적 큰 위해를 끼치고 있으며, VOCs는 산화성 대기 환경 속에서 PM2.5의 전구체 물질을 형성하는 동시에 오존을 생성시킬 수 있으며, 일정 농도의 VOCs는 짧은 시간 내에 사람들의 간, 신장, 대뇌와 신경 계통 등을 손상시키고, 심지어 암을 유발 할 수 있게 되는 상황임. 때문에 대기 환경 속에서 저 농도의 VOCs 분해를 실현하는 것은 인체 건강, 환경 안전, 스모그 빈발 억제 등 면에서 중요한 의미를 보유하고 있음.

광촉매 산화는 퇴치 기술 중에서 응용 전망이 밝은 기술 중의 하나에 속하는데 그 중 TiO2 광 촉매는 안정적이고 독성이 없고 가격이 저렴하고 공업화 생산에 편리한 등 특징을 보유하고 있기 때문에 공업화 응용을 실현할 수 있는 전망이 제일 밝은 광촉매에 속함. 

하지만 벤젠 유형 VOCs의 광촉매 산화 과정 속에서 광촉매 소재가 직면하는 불활성 문제는 벤젠 유형 VOCs 속에서의 광촉매 소재 실제 응용을 제한하고 있는 상황임.

중국과학원 상하이(上海, 상해) 세라믹 연구소 "나노 기능 소재 및 광전기 응용 연구 그룹" 쑨징(孫靜, 손정) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 실행하는 과정에서 산화 티타늄 베이스 복합 소재 분해 VOCs 촉매제의 불활성 저항 메커니즘 연구에서 혁신 성과를 취득하여 이슈가 되고 있음. 

연구팀은 희토 원소의 특수한 4f 전자 구조와 산화 환원 그래핀(rGO) 전자 이전 비율이 높고, 시트 층 구조를 보유하고, 이론 비표면적이 크고, π키(벤젠고리(benzene ring)와 유사함)가 큰 특징을 보유하고 있다는 점에 근거하여 TiO2의 미시 구조 및 광전기학 특성에 대한 구조 디자인을 실행하여 광촉매 분해 성능 및 불활성 저항 성능을 뚜렷이 향상시킴. 

연구팀은 "2단계 방법"을 사용하여 광촉매 rGO/Er3+-TiO2를 개발하였는데 동 복합 광촉매는 기체 위상 인접 디메틸 벤젠(<100ppm)에 대해 효율적인 광촉매 성능과 우수한 안정성을 나타낸다는 점을 발견하였으며, 25ppm의 인접 디메틸 벤젠에 대한 분해 효율은 100%에 달하고 40h 반응 후에도 뚜렷한 불활성 현상을 발생시키지 않는다는 점을 발견하였음.  또한, TiO2와 Er3+-TiO2 샘플에 대해 60min 광촉매 반응을 실행하였는데 그 중 촉매 불활성이 발생하는 주요 원인은 중간 생성물이 촉매 표면에 누적되어 반응 활성 위치 점을 차지한다는데 있다는 점을 발견하였음.

이번 연구를 통해 최초로 rGO의 도입은 기체 오염 물질의 흡착을 위해 더욱 많은 공간을 제공하는 동시에 중간 생성물을 위해 액외의 흡착 위치 점을 제공하여 촉매 본질 특징의 반응 활성 위치 점을 충분히 노출시키고 장시간 효율성을 보유한 광촉매 활성을 보유할 수 있게끔 한다는 연구 결론을 도출함. 또한, 이번 연구를 통해 광촉매 불활성과 활성 메커니즘을 해석하였으며, VOCs 분해 과정에서 광촉매 소재가 직면한 불활성 문제 해결을 위해 새로운 솔루션을 제공하였음.

본 연구 성과는 Applied Catalysis B: Environmental (“Deactivation and Activation Mechanism of TiO2 and rGO/Er3+-TiO2 during Flowing Gaseous VOCs Photodegradation”)에 게재됨.