광촉매 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4000(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 BiOI@NH2-MIL125(Ti)/Zeolite 나노복합체를 사용하여 광촉매-프록손 공정에서 톨루엔과 에틸벤젠을 분해했습니다. 오존과 과산화수소의 동시 존재는 프록손 공정으로 알려져 있습니다. 나노복합체 합성은 용매열 방법을 사용하여 수행되었습니다. 입구 공기 흐름, 오존 농도, H2O2 농도, 상대 습도 및 초기 오염 물질 농도를 연구했습니다. 나노복합체는 FT-IR, BET, XRD, FESEM, EDS 요소 매핑, UV-Vis 스펙트럼 및 TEM 분석을 기반으로 성공적으로 합성되었습니다. 유량 0.1L min-1, 오존 0.3mg min-1, 과산화수소 150ppm, 상대습도 45%, 오염물질 50ppmv가 최적 운전 조건인 것으로 나타났습니다. 이러한 조건에서는 두 오염물질 모두 95% 이상 분해되었습니다. 톨루엔과 에틸벤젠의 경우 메커니즘 효과 계수의 시너지 효과는 각각 1.56과 1.76이었습니다. 하이브리드 공정에서 7번이나 95% 이상의 효율을 유지하며 좋은 안정성을 보였습니다. 광촉매-프록손 공정은 180분 동안 안정성을 평가했습니다. 공정 중 남은 오존 수준은 미미했습니다(0.01 mg min−1). 광촉매-프록손 공정에서 CO2와 CO 생산량은 톨루엔이 각각 58.4, 5.7ppm, 에틸벤젠이 53.7, 5.5ppm이었다. 산소가스 촉진과 질소가스는 오염물질의 효과적인 제거에 억제효과를 나타냈다. 오염물질이 산화되는 동안 다양한 유기 중간체가 확인되었습니다.

휘발성 유기 화합물(VOC)은 안료, 유기 화학 물질, 석유화학 제품, 의약품 등 다양한 산업 공정에서 생산됩니다. 인간의 건강, 특히 산업 근로자는 대부분의 VOC에 의해 부정적인 영향을 받습니다. 따라서 주변 또는 작업장 공기 중 VOC를 제어해야 합니다1,2. 톨루엔과 에틸벤젠은 VOC 지표인 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌) 계열에 속합니다. 개인 및/또는 산업에서는 톨루엔을 광범위하게 사용하며, 급성 또는 만성적으로 노출되면 건강에 극심한 영향을 미칠 수 있습니다. 톨루엔이 화학적 폐렴, 메스꺼움, 구토, 통증, 피부염 등 인간에게 호흡기 문제를 일으킬 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다3. 담배 연기, 휘발유, 천연 오일에는 에틸벤젠이 포함되어 있습니다. 에틸벤젠은 혈액, 간, 신장에 영향을 미칠 뿐만 아니라 암을 유발합니다4. 현재 업계에서는 흡착 공정5, 촉매 산화 공정6, 광촉매 산화 공정7, 비열 플라즈마 공정8 및 생물학적 분해 공정9을 포함하여 BTEX 분해에 많은 방법이 적용되었습니다. BTEX 제거를 위해 고급 산화 공정(AOP)을 사용하는 것은 라디칼 생성을 기반으로 하는 유망한 접근 방식입니다10. 오존화 공정(OP)과 그 파생물을 포함한 AOP의 하위 집합 중 하나입니다11. 주변 온도에서 BTEX 제거를 위한 오존 처리 공정은 에너지 절약 측면에서 다른 기술에 비해 유리합니다12. 광촉매13, O3/H2O2(프록손 공정)14 및 O3/초음파와 같은 보조 공정은 OP 성능을 향상시킬 수 있습니다. 프록손 공정에서 톨루엔과 에틸벤젠의 광물화의 주요 메커니즘은 OH·, O2·- 및 기타 라디칼과 같은 자유 산화 라디칼을 통한 간접 산화에 의존합니다14. 반응 부위에 불균일 촉매를 첨가하고 촉매 표면에 전자-정공 쌍을 생성함으로써 광촉매 과정을 통해 만족스러운 광물화를 얻는 것도 가능합니다. 최근 연구는 가스 저장, 이종 촉매 작용, 선택적 흡착 및 센서 기술에 대한 잠재적인 응용으로 인해 규칙적인 기공 구조를 가진 금속-유기 프레임워크(MOF)에 중점을 두었습니다. MOF는 주로 링커 역할을 하는 유기 분자와 함께 금속 이온 또는 금속 이온 클러스터로 구성됩니다. Di-, tri- 또는 4dendate 리간드는 전형적인 유기 단위입니다. MOF 중에서 MIL 계열은 가장 중요한 것 중 하나입니다. NH2-MIL125는 MIL-125와 구조적으로 동일하지만 합성을 위해 DMF보다 훨씬 더 높은 비율의 메탄올이 필요합니다. 이는 H2BDC를 2-아미노 벤젠 디카르복실산으로 대체하여 제조할 수 있습니다. NH2-MIL125의 아민 그룹은 표면적과 기공 크기를 감소시킬 것으로 예상되지만 구조에서 아민 그룹의 정확한 위치는 결정되지 않았습니다16. NH2-MIL125(Ti)는 적절한 밴드 갭으로 인해 유기 오염물질의 광촉매 분해와 수소 발생에 기여합니다. 급속 전하 재결합을 나타내지만 구조적 안정성이 충분하지 않습니다. 광촉매 활성을 향상시키기 위해 정신 양이온을 유기 리간드로 대체하고 고귀한 정신 양이온을 증착하는 등 수많은 기술이 적용되었습니다. BiPO4, BiVO4, Bi2WO6 및 BiOX(X = Cl, Br, I)는 광촉매 및 광학 특성을 개선하기 위해 광범위하게 연구된 비스무트 함유 반도체입니다. 광촉매 중에서 BiOI는 이방성 층과 적절한 밴드 갭으로 인해 특히 유망합니다. 좁은 밴드 갭으로 인해 가시광선19에 강력하게 반응할 수 있습니다. 빠른 재결합 및 안정성 문제를 극복하려면 이종접합 구조와 MOF를 결합하는 것이 좋습니다. Zeolite는 크고 편안한 기공으로 인해 탁월한 촉매 또는 흡착제 역할을 합니다. 제올라이트 구조에는 Al 및 Si 원소가 포함되어 있어 기체 상태의 오염물질을 가두기에 적합한 공간을 제공합니다20. 이 연구의 참신함은 새로운 BiOI@NH2-MIL125(Ti)/제올라이트(BiOI@MOF/Z) 나노복합체 합성과 광촉매-프록손 공정에서 출발 촉매로 사용하여 처음으로 톨루엔 및 에틸벤젠을 제거한다는 점입니다. 이 연구의 주요 목표는 다음과 같습니다. (i) 오염된 공기에서 톨루엔 및 EB 제거를 위한 촉매 산화 공정 성능을 향상시키는 BiOI@MOF/Z 나노복합체를 합성하고 FESEM, FT-IR을 통해 나노복합체의 특성을 결정합니다. EDS 매핑, TEM, XRD, BET 및 UV-Vis 분석. (ii) 광촉매-프록손 공정의 성능은 매개변수(유량, 오존 농도, H2O2 농도(HP), 상대 습도(RH) 및 초기 오염 물질 농도 등)와 관련하여 검사되었으며, (iii) 결정하기 위해 시너지 메커니즘 효과, 촉매 안정성 및 재사용성, 공정 내 잔류 오존량 추정, 톨루엔 및 에틸벤젠 동시 제거, 운반 가스인 산소 및 질소 가스의 영향 조사, 톨루엔 및 EB의 이론적 광물화율 및 방출 계산 최적의 조건에서 CO 및 CO2뿐만 아니라 부산물 및 예상 경로.