Synthesis and Characterization of TiO2/NiO@SSM catalyst for photocatalytic oxidation of Bisphenol A

Abstract

광촉매를 통한 고도산화기술(Advanced Oxidation Process, AOP)은 기존의 전통적인 수처리 시스템에 주로 적용되는 생물학적처리의 단점을 해결할 수 있어 각광을 받고 있다. 광촉매는 빛을 받았을 때 광자를 흡수하여 반응을 가 속화 시키는 물질이며 난분해성 유기물질을 무해한 물과 이산화탄소로 거의 완벽하게 산화 시킬 수 있다. 하지만 광촉매의 주요한 난제인 전자와 양공쌍 의 빠른 재결합에 대한 뚜렷한 해결책이 제시되지 않았을 뿐만 아니라 촉매를 이용한 수계 오염물질 분해실험이 powder 형태로 이루어지고 있는 실정으로 인해 폐수처리 적용이 어렵다. 기존 연구에서는 기판으로 사용되는 유리, 실 리케이트, 탄소섬유, 세라믹 등에 단일 촉매를 부착시켜 유기오염물질 분해 및 흡착능력을 평가하였다. 그리고 두가지의 촉매를 결합시켜 전자 양공쌍의 재결합을 막는 연구는 주로 powder 형태로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 단일 광촉매의 전자-양공 쌍의 빠른 재결합을 막기위해 이중 촉매를 만들고 p-n 결합을 통해 향상된 촉매 능력을 평가하고자 한다. 그리고 물에 대한 강 한 내식성, 형태변형의 용이성을 가진 망 형태로 된 스테인리스 스틸 표면에 촉매를 합성시키는 방법을 제시하고자 한다. 광촉매 고정화기술은 폐수처리 공정 후 촉매의 분리를 쉽게 수행하고 촉매 가 받는 빛의 조사효율을 증가시켜 오염물질 분해율을 향상시킬 것으로 기대 된다. 또한 파우더 형태 촉매를 사용했을 때 발생하는 탈수처리 비용을 절감 하고 회수되지 못한 촉매의 독성 문제를 해결할 수 있다. 본 연구에서는 Bisphenol A의 광촉매 산화(PCO, Photocatalytic Oxidation)를 위한 스테인리 스 스틸 메쉬(SSM) 지지체에 고정된 NiO와 TiO2의 이중 결합 촉매를 제작하 고 분해효율을 확인하였다. TiO2/NiO@SSM 촉매는 두 차례의 수열합성 과정 을 통해 합성되었다. 약 10 마이크로미터 크기의 NiO petal을 SSM 기판에 성 장시켜 3차원 꽃 형태로 합성되었다. 그리고 TiO2 나노 입자를 다시 수열합성 을 통해 NiO petal의 넓은 옆 표면에 부착시켰다. SEM, TEM, BET, XRD, Raman 등의 분석을 통해 NiO와 TiO2의 p-n 접합, 광촉매의 표면적과 결정 구조 등을 확인하며 TiO2/NiO@SSM 복합체를 분석하였다. TiO2/NiO@SSM 촉매에서 TiO2 나노 입자는 NiO petal 표면에 고르게 분포하였고 오염물질과 의 접촉면적을 증가시키도록 성장한 NiO 3차원 구조체와 강하게 부착되어 있 는 것을 확인하였다. 그리고 SSM, Ni(OH)2@SSM, NiO@SSM, TiO2/NiO@SSM의 XRD분석을 통해 전구체의 결정구조변화와 성분에 대하여 분석하였다. NiO의 파우더 형태를 사용하여 분해실험을 진행했을 때 약 20% 의 효과를 보였지만 스테인리스 스틸 메쉬 기판에 합성된 NiO@SSM 촉매를 사용한 분해실험 결과 65 %의 높은 효율을 보였다. 그리고 NiO/TiO2@SSM 촉매를 사용했을 때 120분 동안 96%의 높은 Bisphenol A 분해효율을 보였다. 두 촉매 사이의 p-n 결합으로 기인된 전자-양공 쌍의 분리현상으로 인해 탁 월한 산화효율을 보였다. 또한 6각형 면체의 독특한 형상을 띈 NiO의 넓은 표면적과 망 형태로 제작된 스테인리스 스틸 기판의 사용은 p-n junction 촉 매와 Bisphenol A 분자와의 접촉율을 증가시킬 뿐만 아니라 자외선 이용율의 증가로 이어졌다. 수열합성법으로 부착된 촉매의 중금속 성분이 수계로 유출 될 수 있는 가능성을 판단하기 위해 분해실험 전과 후의 스테인리스스틸 메쉬 의 무게를 측정하였고 용액 부피 100ml 당 총 0.1mg 이하의 Titanium과 Nickel 이 유출될 수 있음을 확인하였다. TiO2/NiO@SSM는 유기오염물질 bisphenol A를 산화시키는데 효과가 있으며, 광촉매 고정화 기술 연구에 중요 한 사례가 될 것으로 사료된다.|Immobilization of photocatalysts is in the spotlight for industrial large-scale applications. By adapting the technology to wastewater treatment, post-separation of slurry is easily executed, and further enhanced degradation kinetics and light efficiency are expected. Herein, we proposed dual combined catalysts (TiO2/NiO) immobilized on stainless-steel mesh (SSM) support for photocatalytic degradation of Bisphenol A. The TiO2/NiO@SSM catalyst was synthesized in several facile steps. Firstly, about 10 micrometers sized NiO petals were grown on stainless-steel mesh by a hydrothermal process. In second step, TiO2 nanoparticles were sticked on the surface of NiO petals by one more hydrothermal method. Scanning electron microscope and transmission electron microscope analysis confirmed a morphology of combined NiO and TiO2 catalyst. TiO2 nanoparticles were spread evenly and firmly attached to the surface of NiO petals that functions to increase the contact area with contaminants. TiO2/NiO@SSM was characterized by using X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectra. The degradation efficiency of NiO fixed to stainless steel mesh was about 3.2 times higher than that of powder-type NiO. Also, NiO and TiO2 on stainless steel mesh supported a p-n junction, which resulted in 96% of high degradation efficiency of bisphenol A for 120 min.