Continuous Gas-Phase Photocatalytic Oxidation and Adsorption of Formaldehyde with Monolith Aerogels

Abstract

포름알데히드는 대표적인 휘발성 유기화합물 중 하나이다. 다양한 산업 분야에서 이 물질의 폭 넓은 사용때문에, 포름알데히드의 제거 기술에 대한 필요성은 자명하다. 또한 산화티타늄(TiO2)은 휘발성 유기화합물 분해용 광촉매로 굉장히 유명한 물질이다. 따라서 포름알데히드의 유망한 제거 방법인 광산화 반응을 기존 물질보다 개선된 산화 티타늄 에어로겔(AE)에 접목하는 전략으로부터 본 연구가 시작됐다. 이 연구에서는 TiO2 나노 입자를 에어로겔 프레임워크에 접목시켜, 에어로겔의 큰 비 표면적의 물리적 특성과 TiO2 입자를 더 많은 촉매 활성 부위를 노출시킴으로써 광촉매적 이점을 확보하는 것을 목표로 한다. 또한 미량의 0.5wt%의 귀금속(Au, Ag, Pt)을 도핑 하여 겔화된 TiO2는 CO2 초 임계 건조법을 사용하여 합성되었다. 에어로겔의 건조 방법에 따른 특성과 포름알데히드의 제거율과의 상관관계를 확인하기위해 동결 건조법을 활용한 에어로겔 합성도 추가로 실행하였다. 이차 활성 금속 도핑에 의한 단일체 TiO2-AE(-F)는 의도한대로 제어된 화학적 및 물리적 특성을 보였고, 특히 광촉매적으로 유리하게 조절된 밴드 갭 에너지를 보였다. 합성된 샘플은 연속 기상 반응기의 UV 조사 하에서의 포름알데히드 산화 반응과 광원 조사 없이 흡착 반응에 적용되었다. 합성된 모든 촉매는 광촉매 산화 및 흡착 반응 모두에서 포름알데히드에 대해 더 높은 제거율을 보였다. 합성된 샘플 중 Pt-TiO2-AE(-F)는 밴드 갭 에너지 3.06 eV (2.99 eV)의 우수한 광촉매/흡착제 성능을 보였으며 이는 TiO2 격자 내 TiO2와 Pt 원자 간의 상승 효과를 시사한다. 추가로, 다양한 휘발성 유기화합물의 광 촉매에 의한 산화와 흡착 메커니즘을 이해하려면 더욱 연구가 필요하다. |Formaldehyde is one of the representative volatile organic compounds (VOCs). Despite its utility and broad application, Formaldehyde (FA) removal is essential. Plus, Titanium oxide (TiO2) is widely used as a photocatalyst for degradation VOCs. In this work, TiO2 nanoparticles were grafted with Aerogels (AE) framework to benefit from its large specific surface area as an adsorption and expose more catalytically active sites for advantage as a photocatalyst. The trizma- functionalized TiO2 nanoparticles with 0.5 wt.% precious metals (Au, Ag, Pt) were synthesized using CO2 supercritical drying method. In comparison, the samples were also developed with Freeze drying method. Monolith TiO2-AE via doping secondary active metals showed controlled chemical and physical properties especially, the band gap energies. The synthesized samples were applied for Formaldehyde oxidation under UV irradiation and adsorption using continuous gas-phase reaction. All of synthesized catalysts, showed grater activity against Formaldehyde in both photocatalytic oxidation and adsorption reactions. Among the samples synthesized, Pt-TiO2-AE(- F) has superior photocatalytic/adsorption activity with the band gap energy 3.06 eV (2.99 eV), suggesting the synergistic effect among the TiO2 and the Pt atoms in the TiO2 lattice. Further considerations are needed to understand the photocatalytic oxidation and adsorption mechanism of different VOCs.