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KR20180028765A - 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20180028765A
KR20180028765A KR1020160116522A KR20160116522A KR20180028765A KR 20180028765 A KR20180028765 A KR 20180028765A KR 1020160116522 A KR1020160116522 A KR 1020160116522A KR 20160116522 A KR20160116522 A KR 20160116522A KR 20180028765 A KR20180028765 A KR 20180028765A
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KR
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carbon nanofibers
carbon nanofiber
oxidation
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KR1020160116522A
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Inventor
김순현
김영광
임상규
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체는 탄소나노섬유; 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 형성된 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층; 및 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 형성된 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 포함한다. 또한 본 발명의 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 제조방법은, (1) 탄소섬유전구체 재료 및 용매를 혼합하여 방사용액을 준비하는 단계; (2) 상기 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득하는 단계; (3) 상기 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시키는 단계; (4) 상기 안정화된 탄소나노섬유를 질소가스 분위기 하에서 가열하여 탄화시키는 단계; (5) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층을 코팅하는 단계; 및 (6) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 다른 쪽 표면에 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 코팅하는 단계를 포함한다.

Description

3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법{Carbon nanofiber composite having three layer structure and method for manufacturing thereof}
본 발명은 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 매트 형태를 갖는 탄소나소섬유의 한쪽 표면에는 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층이 코팅되고, 다른쪽 표면에는 물의 산화 또는 환원반응을 일으킬 수 있는 광촉매층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 전환 광촉매 기술은 태양광을 흡수하여 다양한 산화 및 환원 반응을 일으키는 것으로, 무엇보다도 사용되는 광촉매가 태양광선의 대부분을 차지하는 가시광 영역의 빛을 잘 흡수할 수 있어야 한다. 광촉매 중에서 가장 널리 쓰이는 이산화티탄 광촉매는 그 띠간격이 3.0-3.2 eV에 해당하여 태양광선의 대부분을 차지하는 가시광선 영역의 빛을 흡수하지 못하고 5 % 미만으로 있는 자외선 영역의 빛만 흡수한다. 따라서 최근에는 이산화티탄 광촉매가 아닌 띠간격이 작아 가시광선 영역의 빛을 흡수할 수 있는 CdS, WO3, Fe2O3와 같은 다른 광촉매들에 대한 주목이 대두되고 있다.
한편 탄소나노섬유는 활성탄과 같은 흑연구조를 갖는 탄소 재료로서 큰 비표면적 및 미세한 다공구조를 가지고 있어 촉매 물질의 담체로 많이 사용되고 있고, 최근에는 연료전지나 이차전지와 같은 전극 재료로도 널리 이용되고 있다. 이러한 탄소나노섬유와 광촉매 물질을 복합화하여 난분해성 유기오염물질의 흡착 및 분해 공정에 이용하기 위한 복합탄소나노섬유에 관하여 연구가 진행되고 있는데(대한민국 등록특허 10-0939938호 및 대한민국 공개특허 10-2010-0079470호), 이들 광촉매 함유 탄소나노섬유 구조체는 광촉매를 이용한 난분해성 유기오염물질 분해를 위한 필터 소재로 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대가 되고 있지만 이들은 기본적으로 자외선 영역의 빛을 사용하도록 되어 있다. 또한, 태양광 조사 하에서 수소 생성반응을 효과적으로 일으킬 수 있는 CdS 광촉매 층을 탄소 나노 섬유 표면에 균일하게 형성시키는 CdS-탄소나노섬유 복합체에 대한 연구가 진행된 바 있는데(대한민국 등록특허 10-1598896호), 이는 CdS-탄소나노섬유 복합체는 태양광을 흡수하여 친환경적으로 수소를 생산할 수 있도록 하는 것이다.
나아가 대한민국 등록특허 10-1598896호에서는 탄소나노섬유에 CdS를 코팅하여 태양광을 흡수할 수 있도록 함으로써 산화 및 환원반응이 일어나도록 하였다. 그러나 상기 문헌에 개시된 CdS-탄소나노섬유 복합체는 태양광을 잘 이용할 수 있는 장점이 있으나 산화 및 환원 반응이 한 곳에서 일어남으로써 이들 산화 및 환원 반응 결과물이 한 곳에서 혼합되어 발생하기 때문에 산화 또는 환원 결과물을 각각 이용해야 하는 경우에는 이후에 다시 분리과정을 수반해야 하는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는 태양광 조사 하에서 물 분해에 따른 수소 생성반응을 효과적으로 일으킬 수 있도록 하며, 이때 태양광을 흡수하여 생성되는 전자가 탄소나노섬유를 통해 이동할 수 있도록 하여 수소생성을 위한 환원반응을 탄소나노섬유의 반대쪽에서 일어나도록 하는 것에 성공함으로써 궁극적으로 산화 및 환원 반응을 분리시킬 수 있는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 제조하여 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 10-0939938호 대한민국 공개특허 10-2010-0079470호
따라서 본 발명의 목적은 탄소나노섬유 층의 한쪽 표면에는 태양광을 흡수할 수 있는 (광)촉매층을 코팅하고 탄소나노섬유 층의 다른쪽 표면에는 탄소나노섬유로부터 전달 받은 전자를 받아 수소생성 반응을 일으킬 수 있는 (광)촉매 층을 각각 코팅함으로써, 3개의 층을 갖는 탄소나노섬유 복합체를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은 탄소나노섬유; 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 형성된 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층; 및 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 형성된 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층;을 포함하는, 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노섬유는 매트 형태일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 평균 두께는 200~1500um이고, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층의 평균 두께는 50~150um이고, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층의 평균 두께는 150~250um일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 헥사고날(hexagonal)구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 아나타제 결정상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중에서 선택되는 어느 하나의 탄소섬유전구체로부터 형성된 탄소나노섬유일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 CdS(Cadmium sulfide), modified TiO2 (Titanium dioxide), ZnS(Zinc sulfide) 또는 g-C3N4 (graphitic carbon nitride)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 Pt-TiO2 (Pt deposited TiO2), Pt (Platinum nanoparticles), RuO (Ruthenium oxide) 또는 CoPi (Cobalt phosphate)일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 광촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은, (1) 탄소섬유전구체 재료 및 용매를 혼합하여 방사용액을 준비하는 단계; (2) 상기 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득하는 단계; (3) 상기 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시키는 단계; (4) 상기 안정화된 탄소나노섬유를 질소가스 분위기 하에서 가열하여 탄화시키는 단계; (5) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층을 코팅하는 단계; 및 (6) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 코팅하는 단계를 포함하는, 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (1) 단계의 탄소섬유전구체 재료는 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile),폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 방사용액 100중량%에 대하여 5~15중량%로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (1) 단계의 용매는 N,N-디메틸포름아미드(DMF,Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydrofuran), 감마부티로락톤(GBL, γ-butyroractone), N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone), 톨루엔(Toluene), 아세톤(Acetone) 및 디메틸아세트아미드(DMAc, Dimethyl acetamide) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (2) 단계의 전기방사는 15~25kV의 전기장 하에서 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (3) 단계는 산소 분위기 하에서 200~250°C의 온도에서 20~40분 동안 가열하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (4) 단계의 탄화는 5 ~ 7 ℃/min 의 승온 속도로 700 ~ 800℃ 까지 온도를 높이고, 상기 700 ~ 800℃의 온도를 유지하면서 40 ~ 60분 동안 가열한 후, 다시 5 ~ 7℃/min 의 승온 속도로 1200 ~ 1600℃ 까지 온도를 높인 후, 상기 1200 ~ 1600℃의 온도를 유지하면서 60~70분 동안 가열하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (5) 단계의 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층의 코팅은 CdS(Cadmium sulfide), modified TiO2 (Titanium dioxide), ZnS(Zinc sulfide) 또는 g-C3N4 (graphitic carbon nitride)을 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 50~150um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (6) 단계의 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층의 코팅은 Pt-TiO2 (Pt deposited TiO2), Pt (Platinum nanoparticles), RuO (Ruthenium oxide) 또는 CoPi (Cobalt phosphate)을 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 150~250um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 헥사고날(hexagonal)구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 아나타제 결정상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 광촉매층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체는 매트 형태의 탄소나노섬유를 지지체로 이용하여 한쪽 표면에는 빛을 흡수할 수 있는 광촉매 층을 코팅하고 동시에 다른쪽 표면에는 물의 산화 또는 환원 반응을 일으킬 수 있는 (광)촉매를 코팅하여, 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 제공함으로써 광촉매를 활용한 산화 및 환원 반응을 분리시킬 수 있는 효과가 있고, 이때 지지체 역할을 하는 탄소나노섬유층을 통해 전자 전달 반응이 빠르게 일어날 수 있으며 이에 따라 산화 및 환원 반응이 분리되어 각각 다른 층에서 잘 일어날 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 (광)촉매층이 탄소나노섬유의 양족 표면에 각각 코팅된 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 투과 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진이다.
도 2은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 (광)촉매 층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 (광)촉매 층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 가시광 빛 조사에 따른 수소 생성량을 비교하여 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 (광)촉매 층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 탄소나노섬유 두께에 따른 저항값을 비교하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 (광)촉매 층이 코팅된 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 탄소나노섬유 두께에 따른 가시광 조사 하에서 3시간 동안의 수소 생성량을 비교하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 모식도를 나타낸 것이다.
종래 CdS-탄소나노섬유 복합체는 태양광을 잘 이용할 수 있는 장점이 있으나 산화 및 환원 반응이 한 곳에서 일어나므로 산화 또는 환원 결과물을 각각 이용해야 하는 번거로움이 있었다.
이에 본 발명자들은 태양광 조사 하에서 물 분해에 따른 수소 생성반응을 효과적으로 일으킬 수 있는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 최초로 제조하였다.
본 발명에서 제공하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체는 탄소나노섬유; 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 형성된 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층; 및 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 형성된 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 본 발명의 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 제조방법을 제공함을 특징으로 하는데, 바람직하게 상기 방법은 (1) 탄소섬유전구체 재료 및 용매를 혼합하여 방사용액을 준비하는 단계; (2) 상기 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득하는 단계; (3) 상기 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시키는 단계; (4) 상기 안정화된 탄소나노섬유를 질소가스 분위기 하에서 가열하여 탄화시키는 단계; (5) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층을 코팅하는 단계; 및 (6) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 코팅하는 단계를 포함한다.
3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 방사용액을 준비한다.
방사용액 준비를 위해 사용하는 상기 탄소섬유전구체 재료로는 이에 제한되지는 않으나, 폴리아크릴로니트릴(PAN,Polyacrylonitrile),폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 방사용액 100중량%에 대하여 5~15중량%로 포함할 수 있다. 만약 상기 탄소섬유전구체가 5 중량% 미만이면 연속적인 섬유 형성에 문제가 있을 수 있고, 15 중량%를 초과하면 방사용액의 점도가 높아서 노즐에 막히는 등 방사에 문제가 있을 수 있다.
또한 방사용액을 위해 사용할 수 있는 상기 용매로는 이에 제한되지는 않으나, N,N-디메틸포름아미드(DMF,Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydrofuran), 감마부티로락톤(GBL, γ-butyroractone), N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone), 톨루엔(Toluene), 아세톤(Acetone) 및 디메틸아세트아미드(DMAc, Dimethyl acetamide) 중에서 선택된 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 용매를 고분자를 녹이는 역할을 한다.
방사용액이 제조되면 상기 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득한다.
이때 상기 전기방사는 지지체인 탄소나노섬유를 형성시켜 매트 형태의 탄소나노섬유를 수득할 수 있고 수백나노미터크기의 직경을 갖는 탄소나노섬유 지지체를 형성시키는 역할을 한다.
바람직하게 상기 전기방사는 15~25kV의 전기장 하에서 수행할 수 있는데, 만약 상기 전기장이 15kV 미만이면, 실처럼 방사가 되지 않는 문제가 있을 수 있고, 상기 전기장이 25 kV를 초과하면 안정적인 나노섬유형태를 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있다.
이후에는 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시키는 단계를 수행한다.
상기 안정화 단계는 탄소나노섬유를 탄화시키기 위해 안정화시키는 역할을 하는 단계로서, 산소 분위기 하에서 200~250°C의 온도에서 20~40분 동안 가열하는 과정으로 수행된다. 그러나 안정화 단계에서 상기 가열하는 온도와 시간을 벗어난 범위로 수행하게 되면, 이후 탄화 단계에서 안정적인 형태의 탄소섬유를 얻는데 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 안정화된 탄소나노섬유를 질소가스 분위기 하에서 가열하여 탄화시키는 단계를 수행한다.
상기 탄화단계는 5 ~ 7 ℃/min 의 승온 속도로 700 ~ 800℃ 까지 온도를 높이고, 상기 700 ~ 800℃의 온도를 유지하면서 40 ~ 60분 동안 가열한 후, 다시 5 ~ 7℃/min 의 승온 속도로 1200 ~ 1600℃ 까지 온도를 높인 후, 상기 1200 ~ 1600℃의 온도를 유지하면서 60~70분 동안 가열함을 통해 수행할 수 있다.
한편, 상기 승온속도가 5℃/min 미만이면, 수율에 문제가 있을 수 있고, 상기 승온속도가 7℃/min를 초과하면 비경제적인 문제가 있을 수 있고, 승온 온도가 700℃ 미만이면, 반응이 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있고, 800℃를 초과하면 C-N 구조상의 문제가 있을 수 있다. 또한 2차로 승온시키는 온도가 1200℃ 미만이면, 질소 분자를 제거에 대한 문제가 있을 수 있고, 1600℃를 초과하면 비경제적인 문제가 있을 수 있다.
상기 탄화 단계가 완료되면, 탄화된 탄소나노섬유의 양쪽 표면을 다른 광촉매로 코팅하는 과정을 수행한다. 즉, 탄화된 탄소나노섬유의 한쪽 표면에는 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층을 코팅하고, 탄화된 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에는 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 코팅하는 단계를 수행한다.
이때 빛을 흡수할 수 있는 상기 광촉매층의 코팅은 CdS(Cadmium sulfide), modified TiO2 (Titanium dioxide), ZnS(Zinc sulfide) 또는 g-C3N4 (graphitic carbon nitride)을 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 50~150um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것이 바람직하며, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층의 코팅은 Pt-TiO2 (Pt deposited TiO2), Pt (Platinum nanoparticles), RuO (Ruthenium oxide) 또는 CoPi (Cobalt phosphate)을 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 150~250um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 방법으로 제조된 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체는, 탄소나노섬유; 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 형성된 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층; 및 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 형성된 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층;을 포함함을 특징으로 하며, 이때 상기 탄소나노섬유는 매트 형태를 갖는다.
또한, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 헥사고날(hexagonal)구조를 가지며, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 아나타제 결정상을 갖는다.
본 발명자들은 상기 본 발명의 방법으로 제조된 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 대상으로 가시광 빛 조사에 따른 수소 생성량을 분석한 결과, 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 포함하지 않는 탄소나노섬유 복합체에 비해 약 3배 이상의 수소를 생성하여 매우 우수한 효과를 갖는다는 것을 확인할 수 있었고, 가시광 흡수 역할을 하는 CdS층이 없는 탄소나소섬유 복합체에서는 아예 수소 생성반응이 일어나지 않음을 알 수 있었다.
또한 본 발명자들은 본 발명의 일실시예에서, CdS층을 통해 가시광 빛을 흡수하고 이후 산화 및 환원반응이 일어나고 환원 반응을 통한 물 분해로 수소가 발생하는 비교예 2의 복합체에 비해, 탄소나소섬유층을 기반으로 한쪽 표면에는 CdS층이 코팅되고, 다른쪽 표면에는 Pt-TiO2층이 코팅된 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체는 CdS 광촉매가 빛을 흡수하고 이때 생성된 전자가 탄소나노섬유 층을 통과하여 반대쪽에 있는 Pt-TiO2까지 잘 전달되며, 탄소나노섬유층을 통해서 전달되는 전자로 인해 Pt-TiO2 층에서 수소 발생이 일어나고 이 과정에서 전자와 전공의 재결합 비율이 감소되어 전체적인 수소 발생량이 증가함을 알 수 있었다.
나아가 본 발명자들은 수소 생성량 및 저항값이 탄소나노섬유의 두께로부터 영향을 받을 수 있는지 확인하기 위해, 다양한 두께를 갖는 탄소나노섬유를 제조하고 양쪽 표면을 상기와 같은 방법으로 제조하여 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 제조한 후, 수소생성량 및 저항값을 분석하였다.
그 결과, 전자를 전달하는 역할을 하는 탄소나노섬유 층의 두께에 따라 수소 생성량이 달라짐을 확인하였는데, 탄소나노섬유의 두께가 두꺼워짐에 따라 저항값이 증가하는 것으로 나타났고, 수소 발생량도 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 변화가 탄화온도와도 관련성이 있는지 분석한 결과, 낮은 탄화온도에서는 더 높은 저항값을 갖는 것으로 나타났다.
따라서 이들 결과를 통해, 본 발명의 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체에서 탄소나노섬유의 두께는 너무 두꺼우면 오히려 저항값의 증가를 초래하고 이로써 수소 생성량을 감소할 수 있기에 200~1500um 평균두께를 갖는 탄소나노섬유를 이용하는 것이 가장 적절함을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체가 안정적인 지지체인 탄소나노섬유의 양쪽 표면에 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층 및 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 각각 코팅함으로써 태양광 조사 하에서 물로부터 수소를 매우 효율적으로 생성시킬 수 있으며, 산화 및 환원 반응이 탄소나노섬유 층을 경계로 분리할 수 있는 기술적 장점이 있으며, 이러한 장점을 이용하여 광촉매, 필터 및 연료전지의 전극 등으로 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
CdS / CNF /Pt- TiO 2 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 제조
먼저 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 제조를 위해, 탄소섬유전구체의 재료인 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 N, N-디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide, DMF) 용매에 10중량%의 농도(10g/100ml)로 용해하여 PAN용액을 준비하였다. 이후 PAN 용액을 20 kV의 전기장에서 전기 방사하여 나노섬유를 제조하였다.
이후 상기 나노섬유를 탄소섬유로 만들기 위해서 탄화단계를 수행하는데, 먼저, 산소 분위기 하에서 250°C의 온도로 30분 동안 가열하여 산화 안정화 시키는 단계를 수행하였다. 이후 안정화 단계가 완료되면 질소가스를 상기 나노섬유에 주입하면서 5°C/min의 승온 속도로 750°C까지 온도를 높이고, 상기 750°C를 유지한 상태로 1시간 동안 가열을 한 후, 다시 5°C의 승온 속도로 1400°C까지 점진적으로 온도를 높였고, 1400°C를 유지한 상태로 1시간 동안 가열하여 탄화(Carbonization) 단계를 수행하였다. 이후 탄화과정을 거친 탄소나노섬유 표면에 백금이 5중량%로 광 담지된 TiO2(Pt-TiO2)를 코팅하였고, 상기 탄화과정을 거친 탄소나노섬유의 다른 표면에는 다시 CdS 나노입자를 코팅하였다. Pt-TiO2와 CdS 나노 입자는 닥터 블레이드 (Doctor blade) 방법으로 코팅하였다. Pt-TiO2 또는 CdS 나노 입자 20 mg을 260 mg의 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol) 용액 (물:폴리에틸렌글리콜=2:1, 중량비)과 섞어 페이스트를 만들고 이를 탄소나노섬유 표면에 일정량을 떨어뜨리고 나서 3M 테잎 한 층 높이만큼만 채워지도록 밀어준 후 400 ℃에서 30 분동안 소성하여 폴리에틸렌글리콜 성분을 완전히 산화시켜 본 발명에 따른 3층 구조를 갖는 CdS/CNF/Pt-TiO2의 탄소나노섬유 복합체를 제조하였다.
< 실시예 2>
CdS / CNF /Pt- TiO 2 3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 제조
상기 실시예 1의 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 제조과정에서, 탄화온도를 1100°C로 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 탄소나노섬유 복합체를 제조하였다.
< 비교예 1>
3층 구조의 탄소나노섬유 복합체의 제조를 위해, 탄소섬유전구체의 재료인 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 N, N-디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide, DMF) 용매에 10중량%의 농도(10g/100ml)로 용해하여 PAN용액을 준비하였다. 이후 PAN 용액을 20 kV의 전기장에서 전기 방사하여 나노섬유를 제조하였다.
이후 상기 나노섬유를 탄소섬유로 만들기 위해서 탄화단계를 수행하는데, 먼저, 산소 분위기 하에서 250°C의 온도로 30분 동안 가열하여 산화 안정화 시키는 단계를 수행하였다. 이후 안정화 단계가 완료되면 질소가스를 상기 나노섬유에 주입하면서 5°C/min의 승온 속도로 750°C까지 온도를 높이고, 상기 750°C를 유지한 상태로 1시간 동안 가열을 한 후, 다시 5°C의 승온 속도로 1400°C까지 점진적으로 온도를 높였고, 1400°C를 유지한 상태로 1시간 동안 가열하여 탄화(Carbonization) 단계를 수행하여 탄화된 탄소나노섬유(CNF)를 제조하였다.
< 비교예 2>
상기 비교예 1의 과정에서 제조된 탄화된 탄소나노섬유 표면에 백금이 5중량%로 광 담지된 TiO2(Pt-TiO2)를 실시예 1의 닥터 블레이드 법으로 코팅하여 CNF/Pt-TiO2 탄소나노섬유 복합체를 제조하였다.
< 비교예 3>
상기 비교예 1의 과정에서 제조된 탄화된 탄소나노섬유 표면에 CdS 나노입자를 실시예 1의 닥터 블레이드 법으로 코팅하여 CdS/CNF 탄소나노복합체를 제조하였다.
상기 실시예들과 비교예들에서 각각 제조된 탄소나노복합체를 하기 표 1에 정리하였다.
비교예1 비교예2 비교예3 실시예 1 실시예 2
CdS × × ○ ○ ○
탄소나노섬유 ○ ○ ○ ○ ○
탄화온도 (℃) 1400 1400 1400 1400 1100
Pt-TiO2 × ○ × ○ ○
제조된
탄소나노복합체		 CNF CNF/Pt-TiO2 CdS/CNF CdS/CNF/Pt-TiO2 CdS/CNF/Pt-TiO2
< 실험예 1>
CdS / CNF /Pt- TiO 2 3층 구조를 갖는 본 발명의 탄소나노섬유 복합체의 현미경 관찰
본 발명의 실시예 1의 방법으로 제조된 CdS/CNF/Pt-TiO2 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체의 현미경 관찰 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 탄소나노섬유 표면 한쪽에는 CdS 입자가 약 100 μm 두께로 코팅되어 있는 것으로 관찰되었고, 다른 한쪽에 Pt-TiO2 입자가 약 200 μm 두께로 코팅되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.
따라서 이러한 현미경 관찰을 통해 본 발명자들은 탄소나노섬유 층을 기준으로 한쪽 표면에는 CdS 층이 코팅되어 있고, 탄소나노섬유 층의 다른 표면에는 Pt-TiO2 층이 코팅되어 있어 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체가 잘 형성됨을 알 수 있었다.
< 실험예 2>
탄소나노섬유 복합체들에 대한 X- 선 회절분석
실시예 1 및 비교예 1의 방법으로 제조된 탄소나노섬유를 대상으로 X-선 회절분석회절(Rigaku D/MAX-2500, 18kV)을 수행하였다.
분석 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 탄화과정을 거친 탄소나노섬유의 경우, PAN 전구체가 탄화되면서 무정형 그라파이트화(graphite) 된 것을 알 수 있었고(도 2에서 26(deg.) 및 43(deg.) 근처의 피크), 이로써 PAN 고분자가 탄소나노섬유의 원료가 되었음을 확인할 수 있었다. 한편 실시예 1의 CdS 층에서는 헥사고날(Hexagonal) 구조의 CdS가 관찰되었고, 실시예 1의 Pt-TiO2 층에서는 아나타제 결정성을 갖는 TiO2 구조가 관찰되었다.
< 실험예 3>
가시광 빛 조사에 따른 수소생성량 분석
상기 실시예 및 비교에에 따라 제조된 탄소나노섬유 복합체에 420nm 이상의 가시광을 3시간 동안 조사한 후, 발생되는 평균 수소 생성량을 측정하였다.
분석 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 2에서는 가시광 조사에 따른 수소 발생이 전혀 일어나지 않는 것으로 나타났는데, 이는 가시광을 흡수하는 역할을 하는 CdS 광촉매가 없기 때문에 가시광 빛을 흡수하지 못해서 수소 생성 반응이 전혀 일어나지 않는 다는 것을 알 수 있었다. 반면, 비교예 3에서는 가시광 빛을 흡수하는 CdS 광촉매를 통해서 가시광 빛을 흡수하고 이후 산화 및 환원 반응이 일어났으며, 이때 환원 반응을 통해서 물이 분해되어 수소가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 본 발명에 따른 3층 구조를 가는 실시예 1의 탄소나노섬유 복합체에서는 수소 발생량이 비교예 3보다 약 4배 정도 더 높은 것으로 나타났다. 이는 CdS 광촉매가 빛을 흡수하고 이때 생성된 전자가 탄소나노섬유 층을 통과하여 반대쪽에 있는 Pt-TiO2 까지 잘 전달되기 때문임을 알 수 있었다. 탄소나노섬유층을 통해서 전달되는 전자로 인해 Pt-TiO2 층에서 수소 발생이 일어났고 이 과정에서 전자와 전공의 재결합 비율이 줄어 전체적인 수소 발생량이 증가함을 확인할 수 있었다.
< 실험예 4>
탄소나노섬유층 두께에 따른 저항값 분석
나아가 본 발명자들은 3층 구조를 갖는 본 발명의 탄소나노섬유 복합체에 대해, 복합체 제조과정에서 탄소나노섬유의 두께를 달리하여 탄소나노섬유 복합체를 제조하였고, 이들에 대한 저항값을 비교분석하였다. 이때 탄소나노섬유 두께는 하기 표에 기재된 두께가 되도록 제조하였으며, 탄소나노섬유 두께를 달리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 및 2의 방법을 통해 제조하였다. 또한, 이때 탄소나노섬유의 전자전도도가 탄화온도에 크게 영향을 받을 수 있기 때문에 탄화온도에 따른 특성도 살펴보고자 하였으며, 두께 및 서로 다른 온도 조건하에서 하기 표에 기재된 탄소나노섬유 복합체를 제조하였고, 이들에 대한 저항값을 분석하였다.
Figure pat00001
분석 결과, 상기 표 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 실시예 2 모두에서 탄소나노섬유층의 두께가 두꺼워 짐에 따라 저항값이 증가하는 것으로 나타났고, 낮은 탄화온도에서 제조한 실시예 2에서 더 높은 저항값을 보였다.
< 실험예 5>
탄소나노섬유층 두께에 따른 수소 생성량 분석
상기 실험예 4에서 제조한 탄소나노섬유층의 두께가 다른 탄소나노섬유 복합체를 대상으로 수소 생성량 정도를 비교 분석하였다.
분석 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 탄소나노섬유 층의 두께가 두꺼워짐에 따라 수소 발생량이 감소하는 것으로 나타났고, 이러한 발생량 감소는 실시예 2에서 더 두드러지게 나타났다. 이는 실시예 2가 더 낮은 탄화온도조건에서 제조되었기 때문에 도 4에 나타난 바와 같이 저항이 훨씬 높게 나타났으며, 그에 따라 수소 발생량도 실시예 1에 비해 낮기 때문인 것으로 생각된다.
이상과 같이 본 발명의 방법에 의해 제조된 CdS/CNF/Pt-TiO2 3층 구조를 갖는 본 발명의 탄소나노섬유 복합체는 420 nm 이상의 가시광선 조사 하에서 CdS 층이 존재함에 따라 상당히 많은 수소가 생성될 수 있고, 반대쪽의 Pt-TiO2 층이 존재함에 따라 전자에 의한 환원 반응이 Pt-TiO2 층에서 활발하게 일어나도록 함으로써, 지지체 역할을 하는 탄소나노섬유층을 통한 전자 전달 반응이 매우 빠르게 일어나고 이에 따라 산화 및 환원 반응이 분리되어, 광전기화학적 에너지 전환용 전극에 매우 폭넓게 활용할 수 있음을 알 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 탄소나노섬유;
    탄소나노섬유의 한쪽 표면에 형성된 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층; 및
    탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 형성된 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층;을 포함하는,
    3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노섬유는 매트 형태인 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노섬유의 평균 두께는 200~1500um이고, 상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층의 평균 두께는 50~150um이고, 상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층의 평균 두께는 150~250um인 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 헥사고날(hexagonal)구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 아나타제 결정상을 갖는 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile),폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중에서 선택되는 어느 하나의 탄소섬유전구체로부터 형성된 탄소나노섬유인 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 CdS(Cadmium sulfide), modified TiO2 (Titanium dioxide), ZnS(Zinc sulfide) 또는 g-C3N4 (graphitic carbon nitride)인 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 Pt-TiO2, Pt (Platinum nanoparticles), RuO (Ruthenium oxide) 또는 CoPi (Cobalt phosphate)인 것을 특징으로 하는 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체를 포함하는 광촉매.
  10. (1) 탄소섬유전구체 재료 및 용매를 혼합하여 방사용액을 준비하는 단계;
    (2) 상기 방사용액을 전기방사하여 탄소나노섬유를 수득하는 단계;
    (3) 상기 탄소나노섬유를 가열하여 안정화시키는 단계;
    (4) 상기 안정화된 탄소나노섬유를 질소가스 분위기 하에서 가열하여 탄화시키는 단계;
    (5) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층을 코팅하는 단계; 및
    (6) 상기 탄화된 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층을 코팅하는 단계를 포함하는,
    3층 구조를 갖는 탄소나노섬유 복합체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (1) 단계의 탄소섬유전구체 재료는 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile),폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, Polyethylene oxide), 폴리비닐디플루오라이드(Polyvinyldifluoride) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 방사용액 100중량%에 대하여 5~15중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (1) 단계의 용매는 N,N-디메틸포름아미드(DMF,Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydrofuran), 감마부티로락톤(GBL, γ-butyroractone), N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone), 톨루엔(Toluene), 아세톤(Acetone) 및 디메틸아세트아미드(DMAc, Dimethyl acetamide) 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 전기방사는 15~25kV의 전기장 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (3) 단계는 산소 분위기 하에서 200~250°C의 온도에서 20~40분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 (4) 단계의 탄화는 5 ~ 7 ℃/min 의 승온 속도로 700 ~ 800℃ 까지 온도를 높이고, 상기 700 ~ 800℃의 온도를 유지하면서 40 ~ 60분 동안 가열한 후, 다시 5 ~ 7℃/min 의 승온 속도로 1200 ~ 1600℃ 까지 온도를 높인 후, 상기 1200 ~ 1600℃의 온도를 유지하면서 60~70분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 (5) 단계의 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층의 코팅은 CdS(Cadmium sulfide), modified TiO2 (Titanium dioxide), ZnS(Zinc sulfide) 또는 g-C3N4 (graphitic carbon nitride)을 탄소나노섬유의 한쪽 표면에 50~150um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 (6) 단계의 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층의 코팅은 Pt-TiO2, Pt (Platinum nanoparticles), RuO (Ruthenium oxide) 또는 CoPi (Cobalt phosphate)을 탄소나노섬유의 다른쪽 표면에 150~250um의 평균두께를 갖도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 빛을 흡수할 수 있는 광촉매층은 헥사고날(hexagonal)구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 물의 산화 또는 환원반응을 일으키는 광촉매층은 아나타제 결정상을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109201102A (zh) * 2018-09-28 2019-01-15 商丘师范学院 一种Z型异质结M-C3N4/CdS复合光催化剂的制备方法
CN109622015A (zh) * 2018-12-14 2019-04-16 哈尔滨理工大学 一种镉掺杂硫化锌/氮化碳的制备方法
CN109647475A (zh) * 2018-11-14 2019-04-19 中国地质大学（北京） 一种g-C3N4/C复合光催化纤维材料及其制备方法
CN110106632A (zh) * 2019-05-07 2019-08-09 英鸿纳米科技股份有限公司 溶剂式纳米纤维膜的制备方法
KR102115968B1 (ko) * 2019-01-30 2020-05-27 재단법인대구경북과학기술원 프러시안 블루가 담지된 탄소나노섬유 전극의 제조방법 및 이를 이용한 방사성 세슘의 제거방법
CN113750826A (zh) * 2020-06-03 2021-12-07 天津工业大学 一种光催化复合多孔膜的制备方法
CN114308100A (zh) * 2021-12-20 2022-04-12 深圳技术大学 一种光催化剂及其制备方法与应用
CN115155661A (zh) * 2022-06-21 2022-10-11 苏州凯清碳中和科技有限公司 一种聚氨酯催化膜及其制备方法与应用

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109201102A (zh) * 2018-09-28 2019-01-15 商丘师范学院 一种Z型异质结M-C3N4/CdS复合光催化剂的制备方法
CN109201102B (zh) * 2018-09-28 2021-08-13 商丘师范学院 一种Z型异质结M-C3N4/CdS复合光催化剂的制备方法
CN109647475A (zh) * 2018-11-14 2019-04-19 中国地质大学（北京） 一种g-C3N4/C复合光催化纤维材料及其制备方法
CN109622015A (zh) * 2018-12-14 2019-04-16 哈尔滨理工大学 一种镉掺杂硫化锌/氮化碳的制备方法
KR102115968B1 (ko) * 2019-01-30 2020-05-27 재단법인대구경북과학기술원 프러시안 블루가 담지된 탄소나노섬유 전극의 제조방법 및 이를 이용한 방사성 세슘의 제거방법
CN110106632A (zh) * 2019-05-07 2019-08-09 英鸿纳米科技股份有限公司 溶剂式纳米纤维膜的制备方法
CN113750826A (zh) * 2020-06-03 2021-12-07 天津工业大学 一种光催化复合多孔膜的制备方法
CN113750826B (zh) * 2020-06-03 2022-11-25 天津工业大学 一种光催化复合多孔膜的制备方法
CN114308100A (zh) * 2021-12-20 2022-04-12 深圳技术大学 一种光催化剂及其制备方法与应用
CN115155661A (zh) * 2022-06-21 2022-10-11 苏州凯清碳中和科技有限公司 一种聚氨酯催化膜及其制备方法与应用
CN115155661B (zh) * 2022-06-21 2023-09-08 苏州凯清碳中和科技有限公司 一种聚氨酯催化膜及其制备方法与应用

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