펩타이징 산이 TiO₂ 상 조성 및 광촉매 효율에 미치는 영향: 황산, 질산, 아세트산 비교 연구

초록

티타늄 이소프록시드를 저온 펩타이징법으로 합성해 황산, 질산, 아세트산을 펩타이징제로 사용한 TiO₂ 나노입자를 제조했습니다. 종합적인 XRD, TEM, BET, 라만, UV-vis, FTIR, XPS 분석 결과, 아세트산은 순수 아나타상 형성을 촉진하고, 질산은 3:1 아나타상-루타일 혼합상을, 황산은 95:5 아나타상-루타일 비율을 생성함을 확인했습니다. 크리스탈 바이올렛, 메틸렌 블루, p-니트로페놀 광촉매 테스트에서 질산 펩타이징 시료가 가장 높은 분해율을 보였으며, 상용 P25보다 최대 20% 우수했습니다. 이는 향상된 전자-정공 분리, 더 큰 기공 직경(≈15 nm), 더 높은 광전류 밀도(0.545 mA cm⁻²) 덕분입니다. 이 연구는 펩타이징 산 종류가 환경 정화용 TiO₂ 나노구조 제어에 결정적 역할을 함을 강조합니다.

배경

이산화 티타늄(TiO₂)은 화학적 안정성, 저비용, 적절한 밴드 구조로 광촉매 분야의 표준 반도체입니다. 아나타상, 루타일, 브루카이트 세 가지 다형체가 있으며, 아나타상이 일반적으로 유기 오염물질 분해에 가장 활성인 상으로 여겨집니다. 상 조성, 결정립 크기, 다공도는 광촉매 성능에 큰 영향을 미치지만, 펩타이징 산 화학이 이 매개변수에 미치는 영향은 충분히 탐구되지 않았습니다. 선행 연구들은 강산이 수열 또는 졸-겔 공정 중 아나타상-루타일 전이를 억제하거나 촉진할 수 있음을 보였습니다. 본 연구에서는 황산, 질산, 아세트산이 TiO₂ 상 진화와 이후 광촉매 활성에 미치는 영향을 체계적으로 조사합니다.

재료 및 방법

펩타이징 공정

Ti(OR)₄(이소프록시드)를 숙성(15일, 25°C, 50% RH)해 비정질 겔을 형성했습니다. 제로겔을 1 N 펩타이징 산(100 mL)에 분산시키고 40°C에서 10분간 초음파 처리했습니다. 결과 콜로이드를 원심분리, 세척 후 500°C에서 3시간 소성했습니다. 시료를 TiO₂-ace(아세트산), TiO₂-nit(질산), TiO₂-sul(황산)로 명명했습니다.

특성 분석

XRD(Cu Kα), TEM, BET(N₂ 흡착), 라만, UV-vis 확산 반사, FTIR, XPS를 사용해 상 조성, 입자 크기, 표면적, 광학 밴드갭, 표면 화학을 결정했습니다. 상 분율은 Spurr-Myers 방정식으로, 결정립 크기는 Scherrer 공식으로 계산했습니다.

광촉매 테스트

100 mg 촉매를 10 ppm 염료 용액(CV, MB, p-NP) 100 mL에 현탁했습니다. 45분 흡착 평형 후 13 W m⁻² UV 조명(8×F20 램프)으로 조사했습니다. 분해는 UV-vis 분광법으로 모니터링했고, 제거 효율은 ξ = (1 – C/C₀) × 100%로 계산했습니다. 단순 세척 건조로 5회 재사용 실험을 수행했습니다.

결과 및 고찰

상 분석

TiO₂-ace는 100% 아나타상(입자 크기 ≈ 48 nm)을 보였습니다. TiO₂-sul은 95% 아나타상(≈ 23 nm)에 소량 루타일(≈ 5%)을 포함했습니다. TiO₂-nit은 67% 루타일/33% 아나타상 혼합상(루타일 ≈ 50 nm, 아나타상 ≈ 41 nm)을 보였습니다. 강산(HNO₃, H₂SO₄)은 루타일 형성을 촉진하는 반면 약산인 아세트산은 아나타상을 보존합니다.

형태 및 표면적

TEM에서 TiO₂-sul은 치밀한 7 nm 응집체를, TiO₂-nit은 10-20 nm 구형 입자와 더 큰 시트형을, TiO₂-ace는 15-20 nm 구형 입자를 형성했습니다. BET 측정 결과 표면적은 ace 115 m² g⁻¹, sul 98 m² g⁻¹, nit 82 m² g⁻¹이었습니다. 질산 펩타이징은 표면적이 약간 낮았으나 더 큰 기공 직경(~15 nm)을 생성해 반응물 확산을 향상시켰습니다.

광학적 특성

UV-vis 흡수 모서리는 sul 372 nm, ace 383 nm, nit 402 nm로 이동했습니다. 밴드갭은 sul 3.12 eV, ace 2.99 eV, nit 2.97 eV였습니다. nit의 감소된 밴드갭은 더 높은 루타일 함량과 관련됩니다.

광촉매 성능

120분 후 TiO₂-nit은 CV와 MB에서 99%, p-NP에서 95% 분해를 달성해 상용 P25(p-NP 약 85%)를 능가했습니다. TiO₂-ace와 TiO₂-sul은 p-NP에서 70-80%에 그쳤습니다. TiO₂-nit의 우수한 활성은 효율적인 상간 전하 이동(루타일 CB → 아나타상 CB, 아나타상 VB → 루타일 VB)과 높은 광전류 밀도(0.545 mA cm⁻²)에 기인합니다. 재사용 실험에서 3회까지 90% 이상 활성 유지, 5회째 75%로 감소(미세한 촉매 손실 때문)했습니다.

결론

펩타이징 산 화학이 TiO₂ 상 조성, 형태, 광촉매 거동을 결정적으로 제어합니다. 질산 펩타이징은 최적의 전자-정공 분리를 가진 혼합 아나타상-루타일 나노구조를 생성해 연구된 산 중 가장 우수한 염료 분해 성능을 보입니다. 이 결과는 환경 응용용 TiO₂ 나노촉매를 맞춤 제작하기 위한 단순하고 확장 가능한 경로를 제공합니다.