열플라즈마에 의한 TiO_2-xN_x의 합성 및 광촉매 특성 비교

Synthesis of TiO_2-xN_x Using Thermal Plasma and Comparison of Photocatalytic Characteristics

$TiO_2$의 가장 큰 특징은 광촉매적 특성을 들 수 있으나 순수한 $TiO_2$는 자외선 영역에서만 활성을 보이는 단점이 있다. 단점을 보완하고자 본 연구에서는 초고온, 고활성을 이용한 열플라즈마 공정으로 질소가 도핑된 $TiO_2$를 합성하여 $TiO_2$의 광촉매적 특성을 높이고자 하였다. 직류 플라즈마 제트를 이용하여 비금속이온인 질소와 반응 가스인 산소를 $TiCl_4$와 함께 플라즈마 반응기 안에서 반응시켜 질소가 도핑된 $TiO_2$ 나노 분말을 합성하였다. 합성 조건으로 질소의 유량을 변화하였다. 합성 변수에 따른 입자의 상조성, 크기를 분석하였고 아세트알데히드와 곰팡이를 광분해하는 실험을 통해 광촉매 활성을 살펴보았다. 한편 $TiO_2$의 분말 상태와 코팅된 상태의 광촉매 특성을 비교하고자 합성한 분말의 스핀 코팅과 PLD (Pulsed Laser Deposition)을 통해 $TiO_2$를 코팅하였다. 아세트알데히드 분해 실험의 결과 질소가 도핑된 $TiO_2$ 분말의 경우가 순수한 $TiO_2$ 분말에 비해 가시영역에서의 광촉매 활성이 두 배 이상 뛰어난 것을 확인하였으며, 곰팡이 분해 실험 결과 역시 질소가 도핑된 $TiO_2$ 분말에 곰팡이가 분해되는 것을 확인하였다. 분말과 필름을 제조하여 메틸렌블루 광분해 실험한 결과 분말의 경우 100% $TiO_2$입자가 메틸렌블루 분해에 이용되며, 반면 스핀 코팅의 경우 바인더의 함량 때문에 20~30%의 $TiO_2$만이 분해에 이용되기 때문에, 분말의 경우 초기 30 mL 메틸렌블루를 한번에 분해할 수 있었다.

$N_2$ doped $TiO_2$ nano-sized powder was prepared using a DC arc plasma jet and investigated with XRD, BET, SEM, TEM, and photo-catalytic decomposition. Recently the research interest about the nano-sized $TiO_2$ powder has been increased to improve its photo-catalytic activity for the removal of environmental pollutants. Nitrogen gas, reacting gas, and titanium tetrachloride ($TiCl_4$) were used as the raw materials and injected into the plasma reactor to synthesize the $N_2$ doped $TiO_2$ power. The particle size and XRD peaks of the synthesized powder were analyzed as a function of the flow rate of the nitrogen gas. Also, the characteristics of the photo-catalytic decomposition using the prepared powder were studied. For comparing the photo-catalytic decomposition performance of $TiO_2$ powder with that of $TiO_2$ coating, $TiO_2$ thin films were prepared by the spin coating and the pulsed laser deposition. For the results of the acetaldehyde decomposition, the photo-catalytic activity of $TiO_{2-x}N_x$ powder was higher than that of the pure $TiO_2$ powder in the visible light region. For the methylene blue decomposition, the decomposition efficiency of $TiO_2$ powder was also higher than that of $TiO_2$ film.