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광촉매

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목차

1. 개요

광촉매는 빛을 받아 화학 반응을 촉진하는 물질을 의미하며, 1911년 산화아연을 이용한 연구에서 처음 개념이 사용되었다. 1972년 후지시마 아키라와 혼다 켄이치의 연구로 '혼다-후지시마 효과'가 발견되면서 본격적인 연구가 시작되었다. 광촉매 반응은 이산화 티타늄(TiO₂)과 같은 물질에 빛을 쪼이면 전자와 정공이 생성되어 오염 물질을 분해하는 원리를 가지며, 환경 정화, 에너지 생산 등 다양한 분야에 응용된다. 이산화 티타늄은 현재 가장 널리 사용되는 광촉매 물질이며, 자외선 영역에서만 활성을 나타내는 한계를 극복하기 위한 연구가 진행 중이다. 한국에서는 광촉매 마스크의 효능 광고가 부당 표시로 지적받은 사례가 있다.

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광촉매
광촉매
정의촉매 작용을 하는 물질이 빛에 의해 활성화되어 반응을 가속화하는 현상
촉매 물질일반적으로 이산화 티타늄(TiO2)이 사용됨
작용 메커니즘
기본 원리광촉매 물질이 빛 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하고, 이들이 주변 분자와 반응하여 화학 반응을 일으킴.
전자-정공 쌍 생성광촉매 물질이 특정 파장의 빛을 흡수하면 전자가 여기되어 전도띠로 이동하고, 그 결과 원자가띠에 정공이 생성됨.
산화 환원 반응생성된 전자와 정공은 각각 주변의 분자와 반응하여 산화 또는 환원 반응을 유도함.
주요 응용 분야
환경 정화수질 및 대기 오염 물질 분해, 자가 세정 표면 개발.
에너지 생산물 분해를 통한 수소 생산, 태양 전지 효율 향상.
유기 합성특정 유기 반응을 촉진하거나 새로운 유기 물질 합성.
살균 및 항균박테리아, 바이러스, 곰팡이 등 미생물 살균.
역사
발견1972년 혼다와 후지시마가 이산화 티타늄의 광촉매 작용을 발견함
광촉매 반응의 종류
산화 반응정공에 의해 유도되는 반응으로, 물 분해, 유기물 분해, 산화 반응 등이 있음.
환원 반응전자에 의해 유도되는 반응으로, 금속 이온 환원, 질소 고정 등이 있음.
광촉매 효율에 영향을 주는 요인
광원의 파장광촉매 물질이 흡수할 수 있는 파장 범위의 빛을 사용해야 함.
광촉매 물질의 특성결정 구조, 입자 크기, 표면적, 도핑 등이 광촉매 효율에 영향을 미침.
반응 조건온도, pH, 촉매 농도, 반응물 농도 등이 광촉매 효율에 영향을 미침.
광촉매 물질
종류이산화 티타늄(TiO2)
산화 아연(ZnO)
황화카드뮴(CdS)
텅스텐 산화물(WO3)
그 외 다양한 반도체 물질 및 복합체
최근 연구 동향
광촉매 성능 향상새로운 광촉매 물질 개발, 도핑, 복합화, 표면 개질 등을 통해 광촉매 성능 향상 연구가 활발히 진행 중임.
응용 분야 확대새로운 응용 분야 개척 및 상용화 연구가 활발히 진행 중임.
관련 용어
광화학빛에 의한 화학 반응을 연구하는 학문 분야
촉매화학 반응 속도를 증가시키는 물질
반도체전기 전도성이 도체와 부도체의 중간인 물질
활성 산소종반응성이 높은 산소를 포함하는 분자 (예: 수산화 라디칼, 슈퍼옥사이드)
참고 자료
국제 순수 및 응용 화학 연맹 (IUPAC)Gold Book: Photcatalyst
학술지Efficient catalyst development for deep aerobic photocatalytic oxidative desulfurization: recent advances, confines, and outlooks
Exploring Solar Energy Solutions for Per- and Polyfluoroalkyl Substances Degradation: Advancements and Future Directions in Photocatalytic Processes
도서光触媒標準研究法

2. 역사

광촉매 반응의 역사는 1911년 독일의 알렉산더 아이브너(Alexander Eibner)가 산화아연(ZnO)을 이용한 연구에서 광촉매 개념을 처음 사용하면서 시작되었다.[67][68] 1938년에는 두데브(Doodeve)와 키치너(Kitchener)가 이산화 타이타늄(TiO₂)이 염료 표백의 광증감제로 작용함을 발견했다.[68][72]

1972년, 일본의 후지시마 아키라(藤嶋昭)와 혼다 켄이치(本多健一)는 TiO₂ 전극을 이용한 물의 전기화학적 광분해 현상을 발견했다. 이는 '혼다-후지시마 효과(本多-藤嶋効果)'로 불리며 큰 주목을 받았다.[88] 이 발견은 특히 한국의 진보 진영에서 친환경 에너지원 개발의 가능성을 제시한 중요한 성과로 평가받는다. 이후 광촉매 연구는 주로 일본에서 활발하게 진행되었으며, 특히 TiO₂를 이용한 연구가 주를 이루었다.

(참고: 위 내용은 '초기 연구 (1911년 ~ 1972년)'와 '혼다-후지시마 효과와 그 이후 (1972년 ~ 현재)' 섹션의 내용을 간략하게 요약하여 작성되었습니다.)

2. 1. 초기 연구 (1911년 ~ 1972년)

1911년, 독일 화학자 알렉산더 아이브너(Alexander Eibner)는 진한 파란색 안료인 프로이센 블루의 표백 연구에서 산화아연(ZnO)의 조명(illumination) 개념을 통합하면서 광촉매 효과를 처음 언급했다.[4][5][67][68] 같은 해, 브루너(Bruner)와 코작(Kozak)은 조명 하에서 우라닐 염이 존재할 때 옥살산의 열화에 대한 논문을 발표했다.[5][6][68][69] 1913년, 란다우(Landau)는 광촉매 현상을 설명하는 논문을 발표했는데, 이는 화학선량 측정의 발전으로 이어져 광화학 반응에서 광자 플럭스를 결정하는 기초를 제공했다.[5][7][68][70]

1921년, 밸리(Baly) 등은 가시광선 하에서 포름알데히드 생성을 위한 촉매로 수산화철과 콜로이드성 우라늄 염을 사용했다.[5][8][68][71] 1938년, 두데브(Doodeve)와 키치너(Kitchener)는 매우 안정적이고 무독성인 산화물인 이산화 타이타늄(TiO₂)이 산소 존재 하에서 염료 표백을 위한 광감작제 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다. TiO₂에 의해 흡수된 자외선은 표면에서 활성 산소 종의 생성을 유도하여, 광산화를 통해 유기 화학 물질의 탈색을 초래했다. 이는 이종 광촉매의 기본적인 특성에 대한 최초의 관찰이었다.[5][9][68][72]

1964년, V.N. Filimonov는 ZnO와 TiO₂를 이용한 이소프로판올 광산화를 연구했다.[5][10][68][73] 1965년, Kato와 Mashio, Doerffler와 Hauffe, 그리고 Ikekawa 등은 ZnO의 복사를 이용한 이산화탄소와 유기 용매의 산화/광산화를 연구했다.[5][11][12][13][68][74][75][76] 1970년, Formenti 등과 Tanaka와 Blyholde는 각각 다양한 알켄의 산화와 아산화질소(N₂O)의 광촉매적 분해를 관찰했다.[5][14][15][68][77][78]

1972년, 후지시마 아키라(藤嶋昭)와 혼다 켄이치(本多健一)는 자외선을 조사한 TiO₂ 전극을 백금 전극에 전기적으로 연결했을 때 물의 전기화학적 광분해가 일어난다는 것을 발견했다. 자외선이 TiO₂ 전극에 흡수되면서 전자가 양극에서 백금 음극으로 흘러 수소 기체가 생성되었다. 이는 깨끗하고 비용 효율적인 수소 생산의 초기 사례 중 하나였다.[5][16][88] 이 현상은 발견자의 이름을 따서 "혼다-후지시마 효과(本多-藤嶋効果)"라고 불린다.

2. 2. 혼다-후지시마 효과와 그 이후 (1972년 ~ 현재)

1972년 후지시마 아키라와 혼다 켄이치는 이산화 타이타늄(TiO₂) 전극에 자외선을 쬐면 물이 전기화학적으로 광분해되는 현상을 발견했다. 이는 TiO₂ 전극이 자외선을 흡수하여 전자가 백금 음극으로 이동하면서 수소 기체가 생성되는 원리였다. 당시 대부분의 수소 생산이 천연가스 개질 및 가스화를 통해 이루어졌기 때문에, 이 발견은 깨끗하고 비용 효율적인 수소 생산의 가능성을 제시한 초기 사례 중 하나였다.[16] 이 발견은 발견자의 이름을 따서 "혼다-후지시마 효과"라고 불린다.[88]

1977년 Nozik은 백금, 금과 같은 귀금속을 전기화학적 광분해 과정에 사용하면 광활성이 증가하고 외부 전위가 필요 없다는 것을 발견했다.[17] 1980년 Wagner와 Somorjai는 스트론튬 티타네이트(SrTiO₃) 표면에서 광생성을 통해 수소가 생산되는 것을 확인했고,[18] 1981년 Sakata와 Kawai는 TiO₂와 아담스 촉매(PtO₂)를 사용하여 에탄올에서 수소와 메탄을 생성하는 데 성공했다.[19]

3. 광촉매 반응의 원리

광촉매 반응은 빛을 받은 광촉매 물질 표면에서 전자(e⁻)와 정공(양전하를 띤 전자와 같은 거동을 하는 입자)이 생성되면서 시작된다. 전자는 광촉매 표면의 산소와 반응하여 슈퍼옥사이드 음이온(O₂⁻)을 만든다.[95] 정공은 공기 중의 수분과 반응하여 하이드록실 라디칼(OH)을 생성한다.[96] 이 하이드록실 라디칼은 강력한 산화 분해 능력을 가지고 있어, 악취 물질, 바이러스, 박테리아 등을 물과 이산화탄소로 분해한다. 이러한 특성 덕분에 광촉매 반응은 주로 환경 정화 공정에 활용된다.

광촉매는 일반적인 촉매와 같이 반응의 활성화 에너지를 낮추는 역할을 한다. 이를 통해 매우 높은 온도에서만 일어나는 반응을 실온에서도 가능하게 한다. 또한, 광촉매는 빛을 조절하여 원하는 시점에 반응을 정지시킬 수 있다는 장점이 있다.[101]

균일 광촉매 반응에서는 반응물과 광촉매가 같은 상(phase)에 존재한다.[27] 예를 들어, 대기 정화 과정은 기상 균일 광촉매 반응에 해당한다. 수용액 상에서는 전이금속 착물이 광촉매로 널리 사용되는데, 이는 큰 밴드갭과 높은 안정성 때문이다.[28] 특히 코발트와 철 착물은 수소 연료 생산에 사용된다.[28]

이산화 티타늄(TiO₂)은 자외선을 흡수하면 강한 산화·환원 작용과 초친수 작용을 나타낸다. 산화·환원 작용은 물을 산소와 수소로 분해하거나 유해 물질을 분해하는 데 활용될 수 있다. 초친수 작용은 유리의 방담(防曇) 가공에 응용되어 자동차 백미러나 도로 거울 등에 사용된다.

1967년 후지시마 아키라가 광촉매 반응을 발견한 이후, 이산화 티타늄을 이용한 물 분해 연구가 활발히 진행되고 있지만, 아직 효율 문제로 인해 대규모 제품화에는 이르지 못하고 있다.

3. 1. 이종 광촉매 반응

이종 광촉매 작용에서 촉매는 반응물과 다른 상에 존재한다. 이종 광촉매 작용은 다양한 반응을 포함하는 학문 분야이다. 여기에는 약한 또는 완전한 산화 반응, 탈수소화 반응, 수소 이동, 18O2–16O2 및 중수소-알케인 동위원소 교환, 금속 증착, 수질 정화 및 기체 오염물질 제거 등이 포함된다.[22]

대부분의 이종 광촉매는 전이 금속 산화물과 반도체이다. 금속은 연속적인 전자 상태를 가지는 것과 달리, 반도체는 고체 내 광활성화에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합을 위한 에너지 준위가 없는 빈 에너지 영역을 갖는다. 반도체의 MO 도표에서 채워진 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 에너지 차이는 밴드갭이다.[22] 반도체가 물질의 밴드갭 이상의 에너지를 가진 광자를 흡수하면, 전자가 원자가띠에서 전도띠로 여기되어 원자가띠에 정공이 생성된다. 이 전자-정공 쌍은 엑시톤이다.[2] 여기된 전자와 정공은 재결합하여 전자의 여기에서 얻은 에너지를 열로 방출할 수 있다. 이러한 엑시톤 재결합은 바람직하지 않으며 효율성을 떨어뜨린다.[26] 기능성 광촉매를 개발하려는 노력은 종종 엑시톤 수명을 연장하고, 상(phase) 헤테로 접합(예: 아나타제-루틸 계면), 귀금속 나노입자, 실리콘 나노와이어 및 치환 양이온 도핑과 같은 구조적 특징에 의존할 수 있는 다양한 접근 방식을 사용하여 전자-정공 분리를 개선하는 데 중점을 둔다.[23] 광촉매 설계의 궁극적인 목표는 여기된 전자와 산화제의 반응을 촉진하여 환원 생성물을 생성하고/하거나 생성된 정공과 환원제의 반응을 촉진하여 산화 생성물을 생성하는 것이다. 양전하를 띤 정공(h+)과 여기된 전자(e-)의 생성으로 인해 빛을 조사한 반도체 표면에서 산화-환원 반응이 일어난다.

산화 반응의 한 가지 메커니즘에서, 정공은 표면에 존재하는 수분과 반응하여 수산화 라디칼을 생성한다. 반응은 광자(hv) 흡수에 의해 금속 산화물(MO) 표면에서 광유도 엑시톤 생성으로 시작된다.

:MO + hv → MO (h+ + e-)

광촉매 효과로 인한 산화 반응:

:h+ + H2O → H+ + •OH

:2 h+ + 2 H2O → 2 H+ + H2O2

:H2O2→ 2 •OH

광촉매 효과로 인한 환원 반응:

:e- + O2 → •O2-

:•O2- + HO2• + H+ → H2O2 + O2

:H2O2 → 2 •OH

궁극적으로 두 반응 모두 수산화 라디칼을 생성한다. 이러한 라디칼은 산화성이며 비선택적이며, 산화환원 전위는 ''E''0 = +3.06 V이다.[24] 이는 일반적으로 ''E''0 = +2.00 V를 초과하지 않는 많은 일반적인 유기 화합물보다 훨씬 크다.[25] 이로 인해 이러한 라디칼의 비선택적 산화 거동이 나타난다.

이산화 타이타늄(TiO2)은 광대역 반도체이며 이종 촉매 작용에 일반적으로 사용된다. 화학적 환경에 대한 불활성과 장기적인 광안정성으로 인해 TiO2는 많은 실제 응용 분야에서 중요한 물질이 되었다. 루틸(밴드갭 3.0 eV) 및 아나타제(밴드갭 3.2 eV) 상에서 TiO2에 대한 연구가 일반적이다.[26] 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 가진 광자의 흡수는 광촉매 반응을 시작한다. 이는 전자-정공(e- /h+) 쌍을 생성한다.[26]

:TiO2 + hv → e- (TiO2) + h+(TiO2)

여기서 전자는 전도띠에 있고 정공은 원자가띠에 있다. 조사된 TiO2 입자는 반도체와 접촉하는 분자에 대한 전자 공여체 또는 수용체 역할을 할 수 있다. 원자가띠 정공은 강한 산화제이고 전도띠 전자는 강한 환원제이기 때문에 흡착된 종과의 산화환원 반응에 참여할 수 있다.[26]

3. 2. 균일 광촉매 반응

SiO₂ 촉매와 금(Au) 광흡수체를 결합하면 황화수소(H₂S)를 수소로 전환하는 반응이 가속화된다. 이 과정은 800°C~1000°C에서 작동하는 기존의 클라우스 공정의 대안이다.[30]

철(Fe) 촉매와 구리(Cu) 광흡수체를 결합하면 가시광선을 이용하여 상온에서 암모니아(NH₃)로부터 수소를 생산할 수 있다. 기존의 구리-루테늄(Cu-Ru) 생산 공정은 650°C~1000°C에서 작동한다.[31]

3. 3. 플라즈모닉 안테나-반응기 광촉매

플라즈모닉 안테나-반응기 광촉매는 촉매의 광흡수 능력을 향상시켜 효율을 높이는 안테나가 부착된 촉매를 결합한 광촉매이다.

SiO₂ 촉매와 금(Au) 광흡수체를 결합하면 황화수소(H₂S)를 수소로 전환하는 반응이 가속화된다. 이 과정은 800~1000 °C에서 작동하는 기존의 클라우스 공정의 대안이다.[30]

철(Fe) 촉매와 구리(Cu) 광흡수체를 결합하면 가시광선을 이용하여 상온에서 암모니아(NH₃)로부터 수소를 생산할 수 있다. 기존의 구리-루테늄(Cu-Ru) 생산 공정은 650~1000 °C에서 작동한다.[31]

4. 광촉매 물질

광촉매는 일반 촉매와 다른 반응 메커니즘을 갖는다. 광촉매로 사용되기 위해서는 몇 가지 조건을 만족시켜야 한다. 우선 광학적으로 활성이 있으면서도 광부식이 없어야 한다. 빛을 받아 촉매 역할을 해야 하므로 빛에 반응해야 하고, 광부식이 일어나지 않아야 계속 빛을 쪼일 수 있기 때문이다. 또한, 빛 외에는 반응하지 않는 물질이 내구성이 좋고 효과적인 광촉매 반응을 만들기 때문에 화학적, 생물학적으로 비활성인 물질이 유리하다.[97]

가시광선이나 자외선 등 다양한 종류의 빛을 이용할 수 있어야 하고, 경제적인 측면에서 저렴해야 한다. 이러한 조건을 모두 만족하더라도 가격이 비싸면 실용화가 어렵기 때문이다.

이산화 타이타늄(TiO₂) 외에도 산화 아연(ZnO), 산화 지르코늄(ZrO₂), 산화 텅스텐(WO₃), 페롭스카이트형 복합 금속산화물 등이 광촉매 물질로 사용된다.

4. 1. 이산화 타이타늄 (TiO₂)

이산화 타이타늄(TiO2)은 현재 가장 널리 사용되는 광촉매 물질이다. 빛을 쪼여도 자신은 변하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있으며, 내구성, 내마모성이 뛰어나 경제적이다. 또한 염소나 오존보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나며, 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있다.[98] 게다가 환경에 무해한 무독성 물질이므로 폐기 시 2차 공해 우려도 없다.

이산화 타이타늄은 온도에 따라 루틸(Rutile)과 아나타제(Anatase) 두 종류의 결정 구조를 가진다.[99] 이 외에도 ZnO, ZrO2, WO3, 페롭스카이트형 복합 금속산화물 등이 광촉매로 사용 가능하다.[99]

이산화티탄(酸化チタン(IV))은 대표적인 광촉매 활성 물질로, 현재 실용화된 광촉매는 이산화티탄과 산화텅스텐뿐이다.[82] 이산화티탄은 '''자외선'''을 흡수하면 크게 두 가지 기능을 나타낸다.

# 강한 산화환원 작용

# 초친수 작용

산화티탄(TiO₂)과 비슷한 전자구조[85]를 가진 다른 많은 물질들 중에서도 왜 산화티탄에서 현저한 광촉매 활성이 나타나는지는 아직 많은 부분이 밝혀지지 않아, 이를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

4. 2. 기타 광촉매 물질

산화 아연(ZnO), 산화 지르코늄(ZrO₂), 산화 텅스텐(WO₃), 페롭스카이트형 복합 금속산화물 등이 광촉매 물질로 사용된다.

4. 3. 광촉매의 과제와 전망

순수한 이산화티탄(TiO₂)은 무색투명한 분말이며, 루틸(rutile)형 이산화티탄의 경우 빛을 흡수하는 파장의 피크는 380nm 이하의 자외선 영역에 있다.[86] 따라서 태양광, 백열등, 형광등 등 일반적인 생활공간의 광원에서는 그 일부만이 광촉매 반응에 기여하고 있다. 하지만 이는 이산화티탄이 가시광선을 흡수하도록 한다면[86] 성능이 비약적으로 향상될 수 있음을 의미한다.

현재는 이산화티탄에 질소 등을 도핑(doping)하거나 다른 종류의 금속을 이온 주입함으로써 자외선뿐 아니라 400~600nm의 가시광선에서도 작용하는 광촉매가 개발되고 있다.[86] 가시광선을 사용할 수 있게 됨으로써 응용 범위가 넓어질 것으로 기대할 수 있다. 가시광선 응답화 기술의 대표적인 것은 소량의 불순물을 첨가하는 것으로, 도핑(doping)이라고 불린다.[86] 지금까지 다양한 물질이 도핑되어 왔다. 그 중에는 가시광선에서 광촉매 활성을 갖는 것도 보고되고 있다. 그러나 같은 물질의 도핑이라도 제조 방법에 따라 특성이 크게 변하는 등, 그 메커니즘은 불명확한 점이 많다.[86]

광촉매의 바인더로는 유기질 외에 무기질도 개발되고 있으며, 수성의 것도 개발되고 있다.

산화티탄(TiO₂)과 비슷한 전자구조[85]를 가진 물질이 다른 많은 물질들 중에서도 왜 산화티탄에서 현저한 광촉매 활성이 나타나는지는 아직 많은 부분이 미지수이며, 이를 밝히기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 슈퍼옥사이드 음이온과 히드록실 라디칼의 표면 활성종으로서의 역할, 표면 산소 결함의 역할 등이 논의되고 있다. 그러나 어느 것도 단편적인 실험 사실에서 추측하는 수준을 벗어나지 못하고, 아직 통일적인 시나리오는 제시되지 않고 있다. 초친수성 작용에 대해서도 산화티탄의 산화 작용에 의해 표면에 흡착된 소수성 유기물이 분해된 영향인지, 아니면 산화티탄 표면 자체에 어떤 화학적 변화가 일어나고 있는 것인지, 연구자들의 의견은 여전히 엇갈리고 있다.

5. 광촉매의 응용

섬유소(종이)
광촉매는 이산화 타이타늄(TiO₂) 및 ZnO 나노로드와 같이 지난 10년 동안 도입되었으나, 대부분 밴드 구조로 인해 UV 조사 하에서만 작동한다는 문제가 있었다. 그러나 그래핀-산화아연 나노복합체를 포함한 다른 광촉매는 이 문제를 해결한다.[32] 마이크로 크기의 ZnO 사면체 입자가 시험적인 제지 생산에 추가되기도 하였다.[33]

광촉매는 이산화 타이타늄(TiO₂)을 여과 막의 지지 시스템으로 사용하여 폐수 처리 막 생물 반응기의 성능을 향상시키거나,[56] 수계에서 독성 6가 크롬과 같은 중금속을 매우 효과적으로 환원시키는 데 활용된다.[58]

5. 1. 환경 정화

광촉매 반응은 빛을 받아 유해 물질을 분해하는 능력을 활용하여 오염물질을 효과적으로 제거하는 환경정화 공정에 주로 쓰인다.

  • 대기 정화:
  • 미세먼지, 휘발성 유기화합물(VOCs), 질소산화물(NOx) 등의 대기 오염 물질을 제거한다.[100]
  • 유럽연합 집행위원회의 지원을 받은 Light2CAT 프로젝트는 가시광선을 흡수하는 변형된 이산화 타이타늄(TiO₂)을 개발, 건축용 콘크리트에 포함시켰다. 이 변형된 이산화 타이타늄은 NOx를 질산 이온(NO₃⁻)으로 분해하여 1년 동안 NOx를 5~20% 감소시켰다.[59][60]

  • 수질 정화:
  • 유기물, 중금속 등 수질 오염 물질을 제거한다.[58]
  • 광촉매 TiO2를 여과 막의 지지 시스템으로 사용하여 폐수 처리 막 생물 반응기의 성능을 향상시킨다.[56]
  • 수계에서 독성 6가 크롬과 같은 중금속을 효과적으로 환원시킨다.[58]
  • 태양광 물 소독(SODIS)의 일종으로 물 소독 및 오염 제거에 활용된다.[42][43][44]

  • 기타 활용:
  • 새집 증후군, 헌집 증후군 원인 물질(각종 휘발성 유기화합물, 포름알데히드 등)을 제거한다.[100]
  • 악취를 제거한다.
  • 이산화 타이타늄은 자체 세척 유리에 사용된다.[37][38]
  • 이산화티타늄 자체 살균 코팅은 식품 접촉 표면 및 간접 접촉으로 미생물 병원균이 퍼지는 환경에 적용된다.[45]
  • 외과 수술 기구 살균 및 전기/광학 부품의 지문 제거에 사용된다.[47]

5. 2. 에너지 생산

광촉매 물 분해는 물을 수소와 산소로 분리한다.[35]

가장 많이 연구된 물질인 이산화티타늄은 비효율적이다. 이산화티타늄과 산화니켈(NiO)의 혼합물은 더 활성이 높다. 산화니켈(NiO)은 가시광선 스펙트럼을 상당히 활용할 수 있게 한다.[36] UV 영역에서 효율적인 광촉매 중 하나는 란탄으로 도핑되고 산화니켈(코촉매)로 로딩된 탄탈산나트륨(NaTaO₃)을 기반으로 한다. 표면은 란탄(3~15 nm 범위, 나노기술 참조)으로 도핑하여 나노계단으로 홈이 파여 있다. 산화니켈(NiO) 입자는 가장자리에 존재하며, 산소는 홈에서 발생한다.

이산화티타늄(TiO₂)을 이용한 이산화탄소(CO₂)의 기체 탄화수소로의 전환이 가능하다.[48] 제안된 반응 메커니즘은 일산화탄소와 이산화탄소로부터 고반응성 탄소 라디칼을 생성하는 것을 포함하며, 이는 광 생성 양성자와 반응하여 최종적으로 메탄을 형성한다. 탄소나노튜브[49] 및 금속 나노입자[50] 와 같은 나노 구조체가 도움이 되지만, 이산화티타늄(TiO₂) 기반 광촉매의 효율은 낮다.

토지시마 아키라(藤嶋昭)는 대학원생 시절 이산화티탄 단결정을 이용한 실험을 진행했다. 이산화티탄을 한쪽 전극으로 하고, 다른 한쪽을 백금으로 하여 크세논 램프의 빛을 쬐는 실험을 한 결과, 양쪽 전극에서 기포가 발생했으며, 이산화티탄에서는 산소가, 백금에서는 수소가 나오는 것을 확인했다. 또한 며칠 동안 빛을 계속 쬐어도 이산화티탄은 전혀 용해되지 않는다는 것을 확인하였고, 이때 처음으로 빛에 의해 물을 산소와 수소로 분해할 수 있다는 것을 알게 되었다.[87]

이 실험을 바탕으로, 1972년, 도쿄대학의 혼다 켄이치(本多健一)와 토지시마 아키라(藤嶋昭)는 이산화티탄을 이용한 물의 광분해에 관한 논문을 네이처(Nature)지에 발표했다.[88] 이 현상은 분말상의 이산화티탄을 물속에 넣고 빛[89]을 쬐면 수소와 산소로 분해되어 각각의 기포가 발생한다는 것이었다. 이 현상은 발견자의 이름을 따서 "혼다-토지시마 효과(本多-藤嶋効果)"라고 불린다.

5. 3. 기타 응용

이산화 타이타늄은 자가 세정 유리에 사용된다.[37][38] 이산화 타이타늄에서 생성된 자유 라디칼[37][38]은 유기 화합물을 산화시킨다.[39][40] 거칠고 쐐기 모양의 이산화 타이타늄 표면은 옥타데실포스폰산(ODP)의 소수성 단분자층으로 변형될 수 있다. 10초 동안 플라스마 에칭 처리[41]된 후 ODP로 표면을 변형한 이산화 타이타늄 표면은 150° 이상의 물 접촉각을 나타냈다. 이산화 타이타늄 광촉매 작용에 의한 옥타데실포스폰산 코팅의 빠른 분해로 인해 UV 조사 시 표면은 초친수성 표면(물 접촉각 = 0°)으로 변환되었다. 이산화 타이타늄의 넓은 밴드갭으로 인해, 반도체 재료에 의한 빛 흡수와 비도핑 이산화 타이타늄의 초친수성 변환에는 자외선(파장 <390 nm)이 필요하며, 따라서 자체 세척 기능은 실외 용도로 제한된다.[41]

표면에 광촉매 기능(광초친수화 기능)을 부여하여 매우 오염되기 어려운 자가세정 유리도 개발되었다. 강우에 노출시키거나 외부 수도 등을 이용하여 물을 뿌리면, 세제를 사용하지 않고 와이퍼로 간단하게 유리 표면의 오염을 제거할 수 있다. 물이 표면 전체에 퍼지고, 살수 후에 물방울이 남기 어렵기 때문에, 창문의 염해로 어려움을 겪는 해변 건물의 창문에도 적합하다. 살수만으로 세제가 필요 없으므로 환경에도 친화적이다. 물의 접촉각이 거의 0°일 때 살수하면 무지개 현상을 관찰할 수 있다. 광촉매 유리 실링제와 샷시 비드에는 친수성을 저해하지 않는 우레탄 고무를 추천한다. 광촉매의 막 두께를 조절함으로써 광분해 활성과 광초친수화 작용을 적절히 조절할 수 있다. 광분해 활성이 높게 설정된 경우에는 살수만으로 오염이 제거되는 경우가 있다.[90] 반응의 구동력은 태양으로부터의 자외선이므로 현상을 확인하려면 맑은 날에 시간을 두는 등, 유리 표면의 누적 자외선 조사량을 고려해야 한다.

(어두운 섬유)와 종이 속 사면체 산화아연 마이크로 입자(흰색이고 뾰족함)의 주사전자현미경 사진.[33] 마이크로 크기의 ZnO 사면체 입자가 시험적인 제지 생산에 추가되었다.[33]

이산화티타늄() 자체 살균 코팅(식품 접촉 표면 및 간접 접촉으로 미생물 병원균이 퍼지는 다른 환경에 적용)으로도 활용된다.[45]

  • 물 소독/오염 제거는 일종의 태양광 물 소독(SODIS)이다.[42][43][44] 흡착제는 테트라클로로에틸렌과 같은 유기물을 끌어들인다. 흡착제는 18시간 동안 충전층에 배치된다. 사용한 흡착제는 재생액에 넣어, 흡착 중 물의 흐름과 반대 방향으로 뜨거운 물을 통과시켜 여전히 부착된 유기물을 제거한다. 재생액은 실리카겔 광촉매의 고정층을 통과하여 남아 있는 유기물을 제거하고 분해한다.
  • 자기장을 이용하여 교반되는 유기 오염 물질의 이산화티타늄() 나노입자 산화.[46]
  • 외과 수술 기구의 살균 및 전기 및 광학 부품에서 지문 제거.[47]


광촉매 TiO2를 여과 막의 지지 시스템으로 사용하는 것은 폐수 처리에서 막 생물 반응기의 성능을 향상시키는 데 유망하다.[56] 고분자 기반 막은 TiO2가 혼합되거나 코팅된 막에서 오염 감소 및 자가 세척 특성을 보였다. 광촉매 코팅 막이 가장 유망한데, 광촉매의 표면 노출이 증가하면 유기물 분해 활성이 증가하기 때문이다.[57]

광촉매는 또한 수계에서 중금속과 같은 독성 6가 크롬을 매우 효과적으로 환원시킨다. 가시광선 하에서 탄화규소 상의 Ce-ZrO2 졸-겔에 의한 Cr(VI)의 환원은 중금속을 3가 크롬으로 환원하는 데 97%의 효과를 보였다.[58]

에어컨 필터에 광촉매를 부착하고 빛을 조사하여 자동으로 필터의 먼지와 오염을 제거하는 제품이 개발되고 있다.

6. 유효성 및 표시 문제 (한국)

2019년 7월 4일, 소비자청은 광촉매를 이용해 꽃가루 제거 및 분해 기능을 광고한 마스크 제조 제약회사 등 4개사에 대해 근거 없는 광고라며 부당경품류 및 부당표시방지법 위반으로 재발 방지 조치 및 대책을 마련하라는 시정명령을 내렸다.[91] 같은 해 10월 1일, 다이쇼제약은 이 처분에 불복하여 소비자청에 심사청구를 제기했다.[92]

참조

[1] 논문 Gold Book: Photcatalyst https://goldbook.iup[...]
[2] 논문 Efficient catalyst development for deep aerobic photocatalytic oxidative desulfurization: recent advances, confines, and outlooks https://doi.org/10.1[...] 2021-01-04
[3] 논문 Exploring Solar Energy Solutions for Per- and Polyfluoroalkyl Substances Degradation: Advancements and Future Directions in Photocatalytic Processes https://onlinelibrar[...] 2024-05-00
[4] 논문 Action of Light on Pigments I 1911
[5] 서적 Design of Advanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental Applications https://archive.org/[...] Springer
[6] 논문 Information on the Photocatalysis I The Light Reaction in Uranium Salt Plus Oxalic Acid Mixtures 1911
[7] 논문 Le Phénomène de la Photocatalyse 1913
[8] 논문 Photocatalysis. Part I. The Synthesis of Formaldehyde and Carbohydrates from Carbon Dioxide and Water. https://zenodo.org/r[...] 1921
[9] 논문 The Mechanism of Photosensitization by Solids 1938
[10] 논문 Photocatalytic Oxidation of Gaseous Isopropanol on ZnO + TiO₂ 1964
[11] 논문 On the Competition of Homogeneous and Heterogeneous Chain Terminations in Heterogeneous Photooxidation Catalysis by Zinc Oxide 1965
[12] 논문 Heterogeneous Photocatalysis I. Influence of Oxidizing and Reducing Gases on the Electrical Conductivity of Dark and Illuminated Zinc Oxide Surfaces 1964
[13] 논문 Titanium Dioxide-Photocatalyzed Liquid Phase Oxidation of Tetralin 1964
[14] 논문 Controlled Photooxidation of Paraffins and Olefins over Anatase at Room Temperature 1970
[15] 논문 Photocatalytic and Thermal Catalytic Decomposition of Nitrous Oxide on Zinc Oxide. 1970
[16] 논문 Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode 1972
[17] 논문 Photochemical Diodes 1977
[18] 논문 Photocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Production on Strontium Titanate Single Crystals https://escholarship[...] 1980
[19] 논문 Heterogeneous Photocatalytic Production of Hydrogen and Methane from Ethanol and Water 1981
[20] 특허 US Patents 11,906,157; 11,680,506;17/393,065
[21] 논문 Roadmap on Solar Water Splitting: Current Status and Future Prospects IOP Publishing Ltd 2017
[22] 논문 Photocatalysis on TiO₂ Surfaces: Principles, Mechanisms, and Selected Results
[23] 논문 Ab initio quantum chemical studies of cluster models for doped anatase and rutile TiO₂ 2003
[24] 논문 Photocatalytic degradation of azo dye acid red 14 in water on ZnO as an alternative catalyst to TiO₂
[25] 서적 Appendix B: Tables of Physical Data John Wiley & Sons Ltd 2014-10-18
[26] 논문 Heterogeneous Photocatalysis: Recent Advances and Applications 2013-03-01
[27] 논문 Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere 2021-05-05
[28] 서적 Chapter 5 - Nanomaterials for photocatalysis https://www.scienced[...] Elsevier 2020-01-01
[29] 서적 Chapter 1 - Nanostructured photocatalysts: Introduction to photocatalytic mechanism and nanomaterials for energy and environmental applications https://www.scienced[...] Elsevier 2021-01-01
[30] 웹사이트 Light-powered catalyst makes profitable hydrogen from stinky waste gas https://newatlas.com[...] 2022-11-02
[31] 웹사이트 Revolutionary photocatalyst is huge news for green hydrogen and ammonia https://newatlas.com[...] 2022-11-29
[32] 논문 Graphene@ZnO nanocompound for short-time water treatment under sun-simulated irradiation: Effect of shear exfoliation of graphene using kitchen blender on photocatalytic degradation
[33] 논문 Paper machine manufactured photocatalysts - Lateral variations 2020-10-01
[34] 논문 Metal Oxide-Based Photocatalytic Paper: A Green Alternative for Environmental Remediation 2021-04-16
[35] 논문 Strategies for the Development of Visible-light-driven Photocatalysts for Water Splitting
[36] 논문 Commercial TiO 2 loaded with NiO for improving photocatalytic hydrоgen prоduction in the presence оf simulated solar radiation 2020-09-01
[37] 웹사이트 Snapcat Photo Catalytic Oxidation with {{chem|TIO|2}} (2005) http://www.calutech.[...] CaluTech UV Air 2006-12-05
[38] 논문 Roles of water and dissolved oxygen in photocatalytic generation of free OH radicals in aqueous {{chem|TiO|2}} suspensions: An isotope labeling study
[39] 웹사이트 Photocatalysis Applications of {{chem|TiO|2}} http://www.titaniuma[...] titaniumart.com
[40] 논문 Formation of genotoxic quinones during bisphenol A degradation by {{chem|TiO|2}} photocatalysis and UV photolysis: A comparative study
[41] 논문 Self-cleaning applications of {{chem|TiO|2}} by photo-induced hydrophilicity and photocatalysis http://dx.doi.org/10[...] 2015-10-01
[42] 논문 The effect of crystal facets and induced porosity on the performance of monoclinic BiVO4 for the enhanced visible-light driven photocatalytic abatement of methylene blue https://www.scienced[...] 2019-08-01
[43] 논문 The application of {{chem|TiO|2}} photocatalysis for disinfection of water contaminated with pathogenic micro-organisms: a review
[44] 논문 Sand Supported Mixed-Phase {{chem|TiO|2}} Photocatalysts for Water Decontamination Applications
[45] 논문 Photobactericidal effects of {{chem|TiO|2}} thin films at low temperature https://zenodo.org/r[...]
[46] 논문 Magnetically agitated photocatalytic reactor for photocatalytic oxidation of aqueous phase organic pollutants American Chemical Society
[47] 웹사이트 New visible light photocatalyst kills bacteria, even after light turned off https://www.scienced[...]
[48] 논문 Photocatalytic reduction of carbon dioxide into gaseous hydrocarbon using {{chem|TiO|2}} pellets
[49] 논문 Photoreactive {{chem|TiO|2}} /Carbon Nanotube Composites: Synthesis and Reactivity American Chemical Society
[50] 논문 Photocatalysis on {{chem|TiO|2}} Surfaces: Principles, Mechanisms, and Selected Results
[51] 서적 Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry 2018-04-02
[52] 논문 Porphyrins as Catalysts in Scalable Organic Reactions 2016-03-01
[53] 논문 Photocatalysis and self-catalyzed photobleaching with covalently-linked chromophore-quencher conjugates built around BOPHY 2018-06-13
[54] 논문 Photocatalytic Degradation of Dyes: An Overview 2017-12-01
[55] 논문 Exploring Rapid Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants with Porous CuO Nanosheets: Synthesis, Dye Removal, and Kinetic Studies at Room Temperature 2021-02-02
[56] 논문 Effect of TiO2 nanoparticles on fouling mitigation of ultrafiltration membranes for activated sludge filtration https://www.scienced[...] 2005-03-01
[57] 논문 Photocatalytic membrane filtration and its advantages over conventional approaches in the treatment of oily wastewater: A review 2020-06-17
[58] 논문 Photocatalytic Reduction of Cr(VI) in the Presence of Humic Acid Using Immobilized Ce–ZrO2 under Visible Light 2020-04-18
[59] 웹사이트 Final Report Summary - LIGHT2CAT (Visible LIGHT Active PhotoCATalytic Concretes for Air pollution Treatment) https://cordis.europ[...] 2012
[60] 웹사이트 Light2CAT Visible Light Active PhotoCATalytic Concretes for Air Pollution Treatment [YouTube Video] https://www.youtube.[...] 2015
[61] 웹사이트 ISO 22197-1:2007 https://www.iso.org/[...]
[62] 웹사이트 Unique Gas Analyser Helps to Characterize Photoactive Pigments | CoatingsPro Magazine http://www.coatingsp[...]
[63] 논문 Study of solid/gas phase photocatalytic reactions by electron ionization mass spectrometry http://opus.bath.ac.[...]
[64] 서적 光触媒標準研究法 https://pcat.cat.hok[...] 東京図書
[65] 논문 フェリシアン化カリウムの光反応（第一報）臭素の存在における光分解 https://doi.org/10.1[...]
[66] 논문 フェリシアン化カリウムの光反応（第二報）光触媒作用（其一） https://doi.org/10.1[...]
[67] 논문 Action of Light on Pigments I
[68] 서적 Design of Advanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental Applications Springer
[69] 논문 Information on the Photocatalysis I The Light Reaction in Uranium Salt Plus Oxalic Acid Mixtures
[70] 논문 Le Phénomène de la Photocatalyse
[71] 논문 Photocatalysis. Part I. The Synthesis of Formaldehyde and Carbohydrates from Carbon Dioxide and Water. https://zenodo.org/r[...] 1921
[72] 논문 The Mechanism of Photosensitization by Solids 1938
[73] 논문 Photocatalytic Oxidation of Gaseous Isopropanol on ZnO + TiO2. 1964
[74] 논문 Competition of Homogeneous and Heterogeneous Chain Terminations in Heterogeneous Photooxidation Catalysis by ZnO 1965
[75] 논문 Heterogeneous Photocatalysis I. Influence of Oxidizing and Reducing Gases on the Electrical Conductivity of Dark and Illuminated Zinc Oxide Surfaces 1964
[76] 논문 Titanium Dioxide-Photocatalyzed Oxidation. I. Titanium Dioxide Photocatalyzed Liquid Phase Oxidation of Tetralin 1964
[77] 논문 Controlled Photooxidation of Paraffins and Olefins over Anatase at Room Temperature 1970
[78] 논문 Photocatalytic and Thermal Catalytic Decomposition of Nitrous Oxide on Zinc Oxide. 1970
[79] 논문 Photochemical Diodes 1977
[80] 논문 Photocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Production on Strontium Titanate Single Crystals https://escholarship[...] 1980
[81] 논문 Heterogeneous Photocatalytic Production of Hydrogen and Methane from Ethanol and Water 1981
[82] 웹사이트 東芝　ルネキャット：メカニズム http://www3.toshiba.[...] 東芝 2016-06-06
[83] 방송 1억 명의 대질문!? 웃어라 코라에!에서 제시된 이산화티탄의 응용 가능성
[84] 문서 매직펜 등
[85] 문서 밴드갭 등
[86] 문서 가시광 응답화
[87] 서적 광화학의 경이 고단샤 블루백스 2006-08-20
[88] 논문 Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode 1972
[89] 문서 주로 근자외선
[90] 논문 더럽혀지지 않는 창유리 일본표면과학회 2005-11-10
[91] 웹사이트 「꽃가루 분해」광촉매 마스크 판매 4사에 경표법 위반으로 행정처분. 일부 기업은 불복 표명 https://www.business[...] businessinsider 2019-10-05
[92] 웹사이트 다이쇼 제약, 소비자청에 심사 청구 https://web.archive.[...] 공동통신 2019-10-05
[93] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[94] 서적 촉매란 무엇인가 電波科學社 2012-04-12
[95] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[96] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[97] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[98] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[99] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[100] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12
[101] 서적 (알기 쉬운) 광촉매 이야기 전남대학교 출판부 2012-04-12

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