B, C, N, F 원소 다중도핑된 TiO₂의 가시광 광촉매 분해 반응

배병철,임지선,김종구,이영석,Bai, Byong Chol,Im, Ji Sun,Kim, Jong Gu,Lee, Young-Seak 한국공업화학회 2010 공업화학 Vol.21 No.1

In this study, boron, carbon, nitrogen and fluorine co-doped $TiO_{2}$ photocatalysts using tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEATFB) have been prepared by different heat treatment temperatures to decrease the band gap. To explore the visible light photocatalytic activity of the novel low‐zband gap $TiO_{2}$ photocatalyst, the removal of two dyes was investigated, namely, acridine orange and rhodamine B. XRD patterns demonstrate that the samples calcined at temperatures up to $800^{\circ}C$ clearly show anatase peaks. The XPS results show that all the doped samples contain N, C, B and F elements and the doped $TiO_{2}$ shows the shift in the band gap transition down to 2.98 eV as UV-DRS results. In these UV-Vis results, photocatalytic activity of the doped $TiO_{2}$ is 1.61 times better than undoped $TiO_{2}$. Specially, excellent photoactivity results were obtained in the case of samples treated at $700^{\circ}C$. 본 연구에서는 여러 가지 열처리 온도에서 다성분 도핑에 의한 광촉매의 밴드갭 저감 및 가시광 광분해 효과를 알아보고자 tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEATFB)로 B, C, N, F 등이 동시에 도핑된 $TiO_{2}$ 광촉매를 제조하였다. 도핑된 $TiO_{2}$ 광촉매가 가시광선영역에서 분해되는 정도를 확인하기 위해서 태양광에 조사하여 rhodamine B와 acridine orange로 염료분해 실험을 수행하였다. XRD 결과 $800^{\circ}C$ 이하에서 열처리된 $TiO_{2}$ 광촉매는 anatase 구조가 존재하고 있음을 알 수 있었다. XPS 분석을 통하여 광활성에 영향을 미치는 B, C, N, F의 결합구조를 확인하였고 UV-DRS 결과로부터 다성분 도핑된 $TiO_{2}$ 광촉매의 밴드 갭이 2.98 eV로 줄어든 것을 알 수 있었다. 다성분 도핑 $TiO_{2}$의 태양광 조사에 의한 UV-Vis 결과에서 acridine orange에 대한 광분해 효과가 도핑되지 않은 샘플에 비해 1.61배 증가함을 알 수 있었다. 특히, 다성분이 동시 도핑되고 $700^{\circ}C$에서 열처리된 샘플이 acridine orange과 rhodamine B 두 가지 염료 모두에서 가장 좋은 광분해 효과를 보여 주었다.

B, C, N, F 원소 다중도핑된 TiO2의 가시광 광촉매 분해 반응

배병철 ( Byong Chol Bai ),임지선 ( Ji Sun Im ),김종구 ( Jong Gu Kim ),이영석 ( Young Seak Lee ) 한국공업화학회 2010 공업화학 Vol.21 No.1

Effect of oxyfluorination on activated electrospun carbon nanofibers for CO₂ storage

배병철(Bai, Byong Chol),김종구(Kim, Jong Gu),임지선(Im, Ji Sun),이영석(Lee, Young-Seak) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

The oxyfluorination effects of electrospun carbon nanofibers (OFACFs) were investigated for CO₂ storage. Carbon nanofibers were prepared form poly acrylonitrile / N,N-dimethylformamide solution through electrospinning method and heat treatment. Chemical activation of carbon nanofibers were carried out in order to improve the pore structure. And the surface modification of activated carbon nanofibers was conducted by oxyfluorination to improve the CO₂ storage on effect of introduced functional groups. The samples were labeled CF (electrospun carbon nanofiber), ACF (activated carbon nanofibers), OFACF-1 (F₂:O₂ = 3:7), OFACF-2 (F₂:O₂ = 5:5) and OFACF-3 (F₂:O₂ = 7:3). The functional group of OFACFs was investigated by x-ray photoelectron spectroscopy analysis. The specific surface area, pore volume and pore size of OFACFs were calculated and pore shape was estimated by the BET equation. Through the adsorption isotherm, the specific surface area and pore volume significantly decreased by oxyfluorination.

NaCl/H₃PO₄ 내염화 처리가 라이오셀 섬유의 열 안정 및 내산화 특성에 미치는 영향

김은애,배병철,이철위,전영표,이영석,인세진,임지선,Kim, Eun Ae,Bai, Byong Chol,Jeon, Young-Pyo,Lee, Chul Wee,Lee, Young-Seak,In, Se Jin,Im, Ji Sun 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.4

The improved thermal stability and anti-oxidation properties of Lyocell fiber were studied based on flame retardant treatment by using NaCl/$H_3PO_4$ solution. The optimized conditions of flame retardant treatment were studied on various maxing ratio of NaCl and $H_3PO_4$ and the mechanism was proposed through experimental results of thermal stability anti-oxidation. The IPDT (integral procedural decomposition temperature), LOI (limited oxygen index) and $E_a$ (activation energy) increased 23, 30 and 24% respectively via flame retardant treatment. It is noted that thermal stability and anti-oxidation improved based on char and carbon layer formation by dehydrogenation and dissociation of C-C bond resulting the hindrance of oxygen and heat energy into polymer resin. The optimized conditions for efficient flame retardant property of Lyocell fiber were provided using NaCl/$H_3PO_4$ solution and the mechanism was also studied based on experimental results such as IDT (initial decomposition temperature), IPDT, LOI and $E_a$. 본 연구에서는 NaCl/$H_3PO_4$ 혼합수용액을 사용하여 라이오셀 섬유의 내염화 처리를 수행하고 이에 따른 열 안정성과 내산화성의 향상 효과를 고찰하였다. 라이오셀 섬유를 다양한 공정조건으로 내염화 처리한 후 열 안정성과 내산화성을 측정 및 분석하고 그에 따른 메커니즘을 제시하였다. 실험결과, 내염화 처리된 라이오셀 섬유의 적분 열분해 온도(integral procedural decomposition temperature, IPDT)와 한계산소지수(limited oxygen index, LOI)는 약 23, 30% 증가하였으며, 활성화 에너지(activation energy, $E_a$) 값은 약 24% 향상된 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 $H_3PO_4$와 NaCl가 연소시 에스테르화 반응, 탈수소화 반응 및 C-C결합의 분해반응으로 char 형성을 촉진하고 섬유 표면에 형성된 탄소 층을 형성함으로써, 고분자 수지 내부로 산소와 열 공급을 물리적으로 차단하여 열 안정성과 내산화성이 향상된 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로, NaCl/$H_3PO_4$ 혼합수용액을 이용한 내염화 처리 공정의 최적화된 인자 및 메커니즘을 제시하였고 열 안정성과 내산화성이 향상된 라이오셀을 성공적으로 제조하였다.

셀룰로오스계 라이오셀 활성탄소섬유의 구리 첨착에 의한 SO₂ 흡착특성 변화

김은애,배병철,이철위,이영석,임지선,Kim, Eun Ae,Bai, Byong Chol,Lee, Chul Wee,Lee, Young-Seak,Im, Ji Sun 한국공업화학회 2015 공업화학 Vol.26 No.4

본 연구에서는 Cu 촉매가 도입된 활성탄소섬유를 제조하여 고효율 $SO_2$ 흡착재를 제조하였다. 라이오셀 섬유를 내염화 및 탄화공정을 통해 탄소섬유를 얻었으며, $SO_2$ 흡착능을 향상시키기 위해 KOH 활성화를 사용하여 높은 비표면적 및 균일한 미세기공구조를 부여하였다. 활성탄소섬유에 Cu 촉매를 도입하기 위하여 $Cu(NO_3)_2{\cdot}3H_2O$ 수용액을 사용하였으며, 공정 시 i) 탄소섬유 내 산소 관능기의 분해반응을 촉진하고, ii) 산화구리 및 질산염의 분해로 oxygen radical이 생성되어 탄소섬유의 활성화 반응을 촉진시켰다. 이로 인해 활성탄소섬유의 미세공과 중기공 형성효과 및 탄소섬유 표면에 고르게 분산된 Cu 촉매를 확인하였다. Cu 촉매 도입 후, 활성탄소섬유에 비해 비표면적 및 미세공의 비율이 약 10% 이상 증가되었고, $SO_2$ 흡착능이 149% 이상 향상된 결과를 얻을 수 있었다. Cu 촉매도입공정 시, 전이금속 촉매효과에 의하여 발달된 미세공, 중기공 및 비표면적에 의한 물리적 흡착과 도입된 Cu 촉매에 의한 $SO_2$ 가스의 화학적 흡착반응의 시너지 효과에 기인하여 $SO_2$ 흡착능이 향상된 것으로 사료된다. In this study, the Cu catalyst decorated with activated carbon fibers were prepared for improving $SO_2$ adsorption properties. Flame retardant and heat treatments of Lyocell fibers were carried out to obtain carbon fibers with high yield. The prepared carbon fibers were activated by KOH solution for the high specific surface area and controlled pore size to improve $SO_2$ adsorption properties. Copper nitrate was also used to introduce the Cu catalyst on the activated carbon fibers (ACFs), which can induce various reactions in the process; i) copper nitrate promotes the decomposition reaction of oxygen group on the carbon fiber and ii) oxygen radical is generated by the decomposition of copper oxide and nitrates to promote the activation reaction of carbon fibers. As a result, the micro and meso pores were formed and Cu catalysts evenly distributed on ACFs. By Cu-impregnation process, both the specific surface area and micropore volume of carbon fibers increased over 10% compared to those of ACFs only. Also, this resulted in an increase in $SO_2$ adsorption capacity over 149% than that of using the raw ACF. The improvement in $SO_2$ adsorption properties may be originated from the synergy effect of two properties; (i) the physical adsorption from micro, meso and specific surface area due to the transition metal catalyst effect appeared during Cu-impregnation process and ii) the chemical adsorption of $SO_2$ gas promoted by the Cu catalyst on ACFs.

다공성 탄소재료를 이용한 CO₂ 포집 및 CO₂/CH₄ 분리 기술

조세호,배병철,유혜련,이영석,Cho, Se Ho,Bai, Byong Chol,Yu, Hye-Ryeon,Lee, Young-Seak 한국공업화학회 2011 공업화학 Vol.22 No.4

온실가스로 인한 지구 온난화는 엘니뇨, 라니냐와 같은 심각한 기상이변을 초래하고 있으며, 매년 그 피해가 심각하게 증가하고 있는 실정이다. 따라서 온실가스의 80% 이상을 차지하고 있는 $CO_2$ 배출량을 감축하는 것이 매우 시급한 현안으로 부상되고 있다. 다공성 탄소는 고비표면적, 다양한 세공구조, 열 및 화학적 안정성, 재사용성과 같은 높은 유용성으로 인하여 carbon capture and storage (CCS) 기술에서 다른 여러 재료와 함께 중요한 위치를 차지하고 있는 재료이다. 본고에서는 주로 많이 연구되고 있는 CCS 기술 및 연구 동향에 대하여 살펴보았으며, 그 중 경제성과 실용성 흡착제로 각광을 받고 있는 다공성 탄소를 중심으로 배가스 중 $CO_2$ 흡착과 에너지 활용이 가능한 바이오 가스 분리에 대한 특성을 고찰하였다. Due to the strong dependence on fossil fuels within the history of human progress, it leads to disaster of the whole world like flood, shortage of water and extinction of the species. In order to curb carbon dioxide emissions, many technologies are being developed. Among them, porous carbon materials have important advantages over other absorbent, such as high surface area, thermal and chemical resistance, low cost, various pore distribution and low energy requirement for their regeneration. Carbon capture and storage (CCS) has attracted the significant research efforts for reducing green house gas emission using several absorbent and process. Moreover, the absorbent are used for the separation of bio mass gas that contains methane which is considered a promising fuel as new green energy resource. In this review, we summarized the recent studies and trend about the porous carbon materials for CCS as well as separation from the biogas.

암모니아 표면처리 된 질소 도핑 TiO2 광촉매의 합성 및 광분해반응

김예솔 ( Ye Sol Kim ),배병철 ( Byong Chol Bai ),이영석 ( Young Seak Lee ) 한국공업화학회 2012 공업화학 Vol.23 No.3

암모니아를 이용하여 질소가 도핑된 광촉매를 제조하고 이에 따른 가시광 광촉매 활성효과를 알아보았다. 질소 도핑 된 TiO2 광촉매가 태양광영역에서 분해되는 정도를 확인하기 위해서 태양광에 조사하에 메틸렌블루 염료분해 실험을 수행하였다. SEM 이미지 분석결과 질소가 도핑된 TiO2 광촉매의 응집 입자가 감소함을 알 수 있었고, XRD 결과 600 ℃에서 열처리된 질소 도핑 TiO2 광촉매는 아나타제 구조와 루타일이 존재하고 있음을 알 수 있었다. 또한, X선 광전 자 분광기 분석을 통하여 암모니아 반응시간에 따라서 TiO2 광촉매에 N의 조성 증가를 알 수 있었다. TiO2 광촉매의 질소 도핑에 의하여 메틸렌블루에 대한 광분해 효과가 도핑되지 않은 시료에 비해 증가하였다. 또한 질소 도핑은 TiO2 광촉매의 결정에도 영향을 주었다. Nitrogen doped TiO2 photocatalysts were prepared by ammonia for exploring the visible light photocatalytic activity. To explore the visible light photocatalytic activity of the nitrogen doped TiO2 photocatalyst, the removal of methylene blue dye was investigated under the sunlight. SEM images showed that the flocculated particle sizes of N-doped TiO2 decreased due to the reaction with ammonia. XRD patterns demonstrated that the samples calcined at temperatures up to 600 ℃ and doped with nitrogen using ammonia clearly showed rutile as well as anatase peaks. The XPS results showed that the nitrogen composition onto TiO2 increased according to the reaction time with ammonia. Photocatalytic activity of the nitrogen doped TiO2 was better than that of undoped TiO2. Nitrogen doping onto the TiO2 also affected the crystal type of TiO2 photocatalyst.

NaCl/H3PO4 내염화 처리가 라이오셀 섬유의 열 안정 및 내산화 특성에 미치는 영향

김은애 ( Eun Ae Kim ),배병철 ( Byong Chol Bai ),이철위 ( Chul Wee Lee ),전영표 ( Young Pyo Jeon ),이영석 ( Young Seak Lee ),인세진 ( Se Jin In ),임지선 ( Ji Sun Im ) 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.4

The improved thermal stability and anti-oxidation properties of Lyocell fiber were studied based on flame retardant treatmentby using NaCl/H3PO4 solution. The optimized conditions of flame retardant treatment were studied on various maxing ratioof NaCl and H3PO4 and the mechanism was proposed through experimental results of thermal stability anti-oxidation. TheIPDT (integral procedural decomposition temperature), LOI (limited oxygen index) and Ea (activation energy) increased 23,30 and 24% respectively via flame retardant treatment. It is noted that thermal stability and anti-oxidation improved basedon char and carbon layer formation by dehydrogenation and dissociation of C-C bond resulting the hindrance of oxygen andheat energy into polymer resin. The optimized conditions for efficient flame retardant property of Lyocell fiber were providedusing NaCl/ H3PO4 solution and the mechanism was also studied based on experimental results such as IDT (initial decompositiontemperature), IPDT, LOI and Ea.

셀룰로오스계 라이오셀 활성탄소섬유의 구리 첨착에 의한 SO2 흡착특성 변화

김은애 ( Eun Ae Kim ),배병철 ( Byong Chol Bai ),이철위 ( Chul Wee Lee ),이영석 ( Young Seak Lee ),임지선 ( Ji Sun Im ) 한국공업화학회 2015 공업화학 Vol.26 No.4

In this study, the Cu catalyst decorated with activated carbon fibers were prepared for improving SO2 adsorption properties. Flame retardant and heat treatments of Lyocell fibers were carried out to obtain carbon fibers with high yield. The prepared carbon fibers were activated by KOH solution for the high specific surface area and controlled pore size to improve SO2 adsorption properties. Copper nitrate was also used to introduce the Cu catalyst on the activated carbon fibers (ACFs), which can induce various reactions in the process; 1) copper nitrate promotes the decomposition reaction of oxygen group on the carbon fiber and 2) oxygen radical is generated by the decomposition of copper oxide and nitrates to promote the activation reaction of carbon fibers. As a result, the micro and meso pores were formed and Cu catalysts evenly distributed on ACFs. By Cu-impregnation process, both the specific surface area and micropore volume of carbon fibers increased over 10% compared to those of ACFs only. Also, this resulted in an increase in SO2 adsorption capacity over 149% than that of using the raw ACF. The improvement in SO2 adsorption properties may be originated from the synergy effect of two properties; (1) the physical adsorption from micro, meso and specific surface area due to the transition metal catalyst effect appeared during Cu-impregnation process and 2) the chemical adsorption of SO2 gas promoted by the Cu catalyst on ACFs.

초청 총설 : 다공성 탄소재료를 이용한 CO2 포집 및 CO2/CH4 분리 기술

이영석 ( Young Seak Lee ),조세호 ( Se Ho Cho ),배병철 ( Byong Chol Bai ),유혜련 ( Hye Ryeon Yu ) 한국공업화학회 2011 공업화학 Vol.22 No.4

온실가스로 인한 지구 온난화는 엘니뇨, 라니냐와 같은 심각한 기상이변을 초래하고 있으며, 매년 그 피해가 심각하게 증가하고 있는 실정이다. 따라서 온실가스의 80% 이상을 차지하고 있는 CO2 배출량을 감축하는 것이 매우 시급한 현안으로 부상되고 있다. 다공성 탄소는 고비표면적, 다양한 세공구조, 열 및 화학적 안정성, 재사용성과 같은 높은 유용성으로 인하여 carbon capture and storage (CCS) 기술에서 다른 여러 재료와 함께 중요한 위치를 차지하고 있는 재료이다. 본고에서는 주로 많이 연구되고 있는 CCS 기술 및 연구 동향에 대하여 살펴보았으며, 그 중 경제성과 실용 성 흡착제로 각광을 받고 있는 다공성 탄소를 중심으로 배가스 중 CO2 흡착과 에너지 활용이 가능한 바이오 가스 분리에 대한 특성을 고찰하였다. Due to the strong dependence on fossil fuels within the history of human progress, it leads to disaster of the whole world like flood, shortage of water and extinction of the species. In order to curb carbon dioxide emissions, many technologies are being developed. Among them, porous carbon materials have important advantages over other absorbent, such as high surface area, thermal and chemical resistance, low cost, various pore distribution and low energy requirement for their regeneration. Carbon capture and storage (CCS) has attracted the significant research efforts for reducing green house gas emission using several absorbent and process. Moreover, the absorbent are used for the separation of bio mass gas that contains methane which is considered a promising fuel as new green energy resource. In this review, we summarized the recent studies and trend about the porous carbon materials for CCS as well as separation from the biogas.