광촉매

1. 광촉매란?

광촉매란 자신은 변화하지 않지만, 빛을 흡수함으로서 촉매와 접촉하는 물질의 반응 속도를 상승시키거나 활성화시키는 물질로서, 1972년 일본의 Fujishima와 Honda가 TiO₂ 단결정 전극에 빛을 조사하면 물이 수소와 산소로 분해된다는 사실을 보고함으로 광촉매가 발견되었다.광촉매반응은 ZnO, CdS, WO₃, SrTiO₃, CdSe, KNbO₃, TiO₂ 등과 같은 반도체성 산화물에서 주로 발생하나 상업적으로는 TiO₂가 주로 쓰인다.

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2. 광촉매의 원리

그림 1 및 아래 반응식에 나타낸 것과 같이 밴드갭(bandgap energy) 이상의 빛을 받으면 가전자대(valance band)의 전자가 전도대(conduction band)로 전이하여 전자(e-)와 정공(h+)를 생성하며 이들이 또다시 대기 중의 O₂ 및 H₂O 분자와 결합하여 강력한 유기물 분해능력을 가진 슈퍼옥사이드(O₂-)와 수산화이온(OH-)를 생성하고 이들의 산화/환원작용에 의해 표면의 오염물이나 세균들을 분해할 수 있다.

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Organic pollutant + (O₂-, OH-) → CO₂ + H2O

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앞에서 언급한 다양한 광촉매 산화물 중 이산화티타늄(TiO₂)은 밴드갭 에너지대가 수소와 산소의 발생전위 영역에 걸쳐 있어 물의 산화/환원 반응이 동시에 가능하다. 이것은 광촉매의 두 가지 오염물 분해물질인 슈퍼옥사이드와 수산화이온을 동시에 발생할 수 있는 것을 의미하는 것으로서 산화반응 혹은 환원반응만 가능한 물질보다 광범위한 종류의 물질을 분해할 수 있다는 것을 의미한다.

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그림. 광촉매의 원리

 

3. TiO₂ 광촉매

앞에서 언급한 다양한 광촉매 산화물 중 이산화티타늄(TiO₂)은 밴드갭 에너지대가 수소와 산소의 발생전위 영역에 걸쳐 있어 물의 산화/환원 반응이 동시에 가능하다. 이것은 광촉매의 두 가지 오염물 분해물질인 슈퍼옥사이드와 수산화이온을 동시에 발생할 수 있는 것을 의미하는 것으로서 산화반응 혹은 환원반응만 가능한 물질보다 광범위한 종류의 물질을 분해할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 TiO₂는 화학적으로 안정하며 내약품성이 우수하고, 무독성으로 인체에 무해하기 때문에 방오코팅 등에 광범위하게 이용되고 있다.

TiO₂는 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트(brookite)의 세 가지 결정형이 가장 널리 알려져 있다. 천연에서 가장 흔히 보이는 구조는 rutile구조로서 보석의 함유물로 가치를 가지고 있으며 화장품, 페인트 등의 백색안료로 다양하게 사용되고 있으나 광촉매로서의 기능성은 거의 없는 것으로 알려져 있다. 아나타제 TiO₂는 광촉매로서 오염물 분해능력이 가장 우수한 물질로서 알려져 있어 각종 건축물의 청결유지코팅, 투명 재료의 김서림 방지 물질, 수처리 시설, 대기처리 시설 등에 광범위하게 적용되고 있다. 아나타제상은 열역학적으로 불안정한 것으로 알려져 있으며 900 ℃에서 루틸상으로 전이되는 것으로 보고되었다. 그러나, 이와 같은 전이 온도는 결정 주위의 상태에도 영향을 받기 때문에 구조의 변화조건은 다르게 나타날 수도 있으며 최근에는 600 ℃부근이 아나타제-루틸상의 상전이 온도로 가장 일반적으로 통용되고 있다. 아래 표에는 루틸 및 아나타제 상의 물질 특성을 간단하게 비교, 요약하였다.

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표. Anatase 및 Rutile TiO₂의 물성

 

4. 광촉매의 응용

오염물질 분해

전술한 것과 같이 광촉매는 이론적으로 유기오염물질들을 물과 이산화탄소로 완전분해가 가능하다. 광촉매는 다양한 오염물에 대해 분해가 보고되고 있어, 새로운 환경정화물질로서 주목받고 있다. 또한 광촉매는 정공의 뛰어난 산화력에 의해 각종 유기물뿐만 아니라, NOx, SOx 등의 각종 대기오염 물질을 제거하는데 있어서도 탁월한 효과를 갖는 것으로 알려져 각종 공기청정기, 공기필터, 에어컨 공조기, 탈취시트 등에 적용이 다양하게 연구되고 있으며 벤젠, 톨루엔, 포름알데히드, 자일렌 등으로 대표되는 실내공기의 오염물질인 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOC)에 대한 분해능도 확인되어 새집증후군(sick house syndrome)에 대한 대책으로 주목받고 있다.

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자기정화 및 초친수성

이 외에도 광촉매를 유리표면에 코팅하여 부착된 유기 오염물질을 자연광 등을 이용하여 분해하게 만드는 자정효과(self-cleaning)를 응용한 조명이 개발되어 실제 일본에서는 고속도로 터널 및 가로등 및 실내조명 등에 실용화 되었다. 또한 광촉매의 셀프 클리닝 효과를 지닌 방오성 건축자재가 개발되고 있다.

또한 광촉매의 표면에 빛에 의한 광촉매 반응으로 OH Radical이 형성되면 이것이 물과 성질이 비슷하기 때문에 초친수성이 발생한다. "초진수성"이란 표면의 물이 물방울이 되지 않고 확 퍼져 접촉각이 0에 가까워지는 성질이다. 이와 같은 성질을 이용하여 유리에 서리 등이 발생하는 것을 막을 수 있다.

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차세대 에너지원

수소와 산소가 물이되는 과정에서 발생되는 에너지를 이용하는 수소 연료전지는 차세대 에너지원으로 전세계적으로 연구되는 아이템이다. 물론 이를 광범위하게 이용하기 위해서는 다량의 수소를 공급받을 수 있어야 한다. 광촉매는 빛을 이용해서 물을 수소와 산소로 분해할 수 있기 때문에 광촉매를 이용한 수소의 생산 역시 전세계적으로 실용화를 위해 광범위하게 연구되고 있다.