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POSTECH Advanced Remediation & Treatment Lab. 광촉매 반응의 메커니즘 연구 최 원 용최 원 용포 항 공 과 대 학 교포 항 공 과 대 학 교환 경 공 학 부환

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POSTECH Advanced Remediation & Treatment Lab.

광촉매 반응의 메커니즘 연구

최 원 용최 원 용

포 항 공 과 대 학 교포 항 공 과 대 학 교환 경 공 학 부환 경 공 학 부

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Photocatalyst

Applications

Photo-functional Coating Material

- Superhydrophilicity

- Anti-fogging

- Self-cleaning

- Sanitary Coating

- UV blocking

Environmental Remediation

- Drinking Water Treatment

- Wastewater Treatment

- Air Purification

- Deodorization

- Sterilization

- Destructing EDCs/POPs

Solar Energy & Chemical Conversion

- Dye-Sensitized Solar Cell

- Water Splitting

- CO2/N2 Conversion

- Selective Synthesis

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Various Aspects of Photocatalytic ResearchVarious Aspects of Photocatalytic Research

• Photocatalyst Syntheses and Modifications for Higher Activities

(sol-gel synthesis, thin-film coating, ion doping, metalization, sensitization, visible-lig

ht photocatalyst,…)

• Kinetics and Mechanisms (intermediates and products analysis, identification of

active oxidants, understanding degradation pathways, radical chemistry …)

• Reaction Modeling

• Surface and Photoelectrochemistry (surface & electrochemical characterization)

• Dynamics of Charge Carriers (laser spectroscopic study of recombination and int

erfacial charge transfer,…)

• Reactor Development (catalyst immobilization or recovery, efficient delivery of lig

ht on photocatalyst surface, solar reactor, scaling-up,…)

• Integration with Other Water Treatment Processes (biological processes, AOP

s, adsorption, membranes,…)

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O2- + H+ HO2

O2

OH2+O-

OH

Active Redox Species Generated on IlluminatActive Redox Species Generated on Illuminated TiOed TiO22 Particles Particles

>OHs (H2O)

•OH

h

ecb-

hvb+

H2O2

e-/H+

x2

e-

A

A•-

D

D•+

O2

O2

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HO 2.80

O3 2.07 H2O2 1.78

HO2 1.70

ClO2 1.57 HOCl 1.49

Cl2 1.36

Oxidation Potentials of Common Chemical Oxidants Used in Water Treatment

Oxidation Potentials (V vs NHE)

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거의 모든 유기오염물질을 완전분해

수처리와 가스처리 시스템에 모두 적용 가능

상온 · 상압 조건에서 작동

광촉매 (TIO2) 가 값싸고 공업적으로 대량생산

공정이 안전하고 ( 유독 산화제 불필요 ) 간단

태양광 사용가능 (act < 388 nm)

광촉매 이용 오염물질 제거기술의 장단점

낮은 광효율

가시광 비활성 (TiO2)

대용량 처리시스템에는 부적합

슬러리상 수처리에서는 광촉매 분리 회수 공정∙ 필요

다양한 광촉매 고정화 기술 개발 필요

인공광원 사용시 관리비용 증대

전체 광촉매 표면적에 균등한 빛 조사 어려움

장점 단점

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Products and byproducts formation Products and byproducts formation from photocatalytic degradation of from photocatalytic degradation of

N(CHN(CH33))44++

pH 3.4 pH 11.0

(S. Kim and W. Choi, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 2019)

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Schematic Pathways of the Photocatalytic Schematic Pathways of the Photocatalytic Degradation of (CHDegradation of (CH

33))nnNHNH4-n4-n

++ (0 (0 ≤≤ n n ≤≤ 4) 4)

NCH3

CH3CH3CH3 N

CH3

CH3CH3H N

H

CH3CH3H N

H

HCH3H N

H

HHH

NCH3

CH3CH3 N

H

CH3CH3 N

H

HCH3 N

H

HH

NCH3

CH3OHN CH3OHH

NOHH

H

NO2- NO3

-

H+ H+ H+ H+

HO2 HO2HO2

OHO2

OHO2

OHO2

OHCH3

OHCH3

O2OH

O2OH

O2OH

Slow

FastOH

CH3

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As(V)

H2O2

O2

HA+ + ecb-

O2-

As(III)

As(IV)

O2

HA + TiO2

hv

FeIII(OH)2+ Fe2+ + •OHhv

hvb+

hvb+

TiO2 ecb- + hvb

+ +hv O2

H2O

ecb-

•OH

O22- + 2H+

•OH ecb

-H+O2

-

O2-

+ OH-

Scheme of As(III) Photooxidation

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Irradiation Time (min)

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NH3NO2

-

NO3-

Total N

Photocatalytic Conversion of NHPhotocatalytic Conversion of NH33 on Naked TiO on Naked TiO22

[NH3] = 100 M

pH = 10

[TiO2] = 0.5 g/L

Air-Saturated

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Irradiation Time (min)-20 0 20 40 60 80 100 120 140

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NH3

NO2-

NO3-

Total Ndark control

Photocatalytic Conversion of NHPhotocatalytic Conversion of NH33 on Pt-TiO on Pt-TiO22

[NH3] = 100 M

pH = 10

[TiO2] = 0.5 g/L

Air-Saturated

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Irradiation Time (min)

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NH3

NO2-

NO3-

Total Ndark control

Photocatalytic Conversion of NHPhotocatalytic Conversion of NH33 on Pt-TiO on Pt-TiO22

[NH3] = 100 M

pH = 10

[TiO2] = 0.5 g/L

N2O-Saturated

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NH3 (aq) NH3,ad

NH3,ad + OH• NH2,ad + H2O

NH2,ad + OH• NHad + H2O

NHad Nad + Had

NH2,ad NHad + Had

Proposed Mechanism for NProposed Mechanism for N22 Production on Pt/TiOProduction on Pt/TiO22

On Pt surface

Nad + Nad N2,ad

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Migrating Active Photooxidants on TiO2

Tatsuma et al., J. Phys.Chem. B. 1999, 103, 8033/ 2001, 105, 6987. Haick & Paz, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 3045. Cho & Choi, J. Photochem. Photobiol. A : Chem. 2001, 143, 221.Kim & Choi, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 2019.

Illuminated-TiO2

OHor HO2

Organic substrate

UV Dark-TiO2

Organic substrate

Reaction medium

Previous reports on migrating/diffusing OH radicals on TiO2:

Reaction medium