석유 유도체의 광촉매 탈황을 위한 초음파 화학적 방법에 의한 Ce0.5Bi0.5VO4/rGO 나노복합체의 합성 및 특성 규명

Dec 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14094(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

석유 유도체의 탈황 효율을 향상시키기 위해 Ce0.5Bi0.5VO4/rGO 나노복합체를 초음파 화학적 방법으로 합성하였다. 제조된 나노복합체는 XRD, FESEM, EDS, FT-IR, BET 및 DRS 분석을 통해 특성화되었습니다. XRD 분석 결과, 합성된 나노복합체는 비정질인 것으로 나타났습니다. FESEM 이미지는 최적의 조건, 즉 합성 온도를 0~5°C 사이에서 제어하면 더 작은 입자 크기 분포를 갖는 나노구조가 합성된다는 것을 보여주었습니다. 탈황 결과는 환원된 그래핀 산화물(rGO)을 함유한 나노복합체가 순수 샘플보다 더 높은 광촉매 효율을 갖는 것으로 나타났으며, 그 주된 이유는 rGO 구조의 π 전자를 통해 샘플에서 더 나은 전하 분리가 가능하기 때문일 수 있습니다. CeVO4/rGO, BiVO4/rGO 및 Ce0.5Bi0.5VO4/rGO 나노복합체의 가장 높은 탈황량은 UV 광에 40분 동안 노출된 후 각각 95.62, 91.25 및 96.38%였습니다. Ce0.5Bi0.5VO4/rGO 복합체의 광촉매 활성 향상은 전자-정공 쌍의 효율적인 분리와 재결합 억제에 기인할 수 있습니다. 염산과 과산화수소를 이용한 탈황으로 효율이 12% 증가했는데, 이는 상당한 양이다.

최근 수십 년 동안 디젤 및 가솔린 연료 사용의 증가와 SOX1,2,3 방출을 유발하는 황 함유 연료의 연소로 인해 화석 연료로 인해 심각한 환경 문제가 발생했습니다. 연소 후 SOx를 방출하는 연료에는 다양한 유형의 황 화합물이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다4. 황 화합물은 독성이 있으며 자동차 산업의 급속한 발전으로 인해 엔진 배기 가스를 방출하는 산화 촉매를 오염시킵니다5. 황 화합물은 산화물, 황산염, 유황으로 전환되어 산성비, 광화학 안개, 호흡기 문제를 일으키고 인간의 건강과 생태계를 심각하게 위협합니다6,7.

탄화수소 연료의 심층 탈황 공정은 운송 요구 사항과 환경에 대한 영향으로 인해 고려되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 대부분의 국가에서는 연료의 황 함량을 제한하는 엄격한 기준을 개발했습니다. 이 기준에 따르면 황의 양은 10ppm 미만이고, 앞으로는 심지어 0이 될 수도 있다. 결과적으로, 최근 연구자들의 가장 중요한 목표 중 하나는 이러한 화합물로부터 석유 제품을 달게 만드는 것입니다8,9,10,11. 따라서 다양한 탈황 방법이 등장했으며 가장 중요한 방법은 수소 탈황입니다. 이 과정에서 탈황은 촉매를 사용하여 고온, 고압에서 수소에 의해 수행됩니다12,13. 온화한 작동 조건을 달성하기 위해 추출 탈황, 생물학적 탈황, 흡수 탈황, 산화 탈황 등과 같은 다른 방법이 조사되었습니다. 광촉매 산화탈황은 기본적으로 빛이 있는 상태에서 효율적인 촉매를 사용하여 황화합물의 산화속도를 증가시키는 산화탈황법의 첨단기술이다17. 이 방법은 상온 및 대기압에서 높은 선택성으로 적용이 가능하며, 가격이 저렴하고 태양광원을 이용할 수 있어 산업적 규모로도 활용이 가능하다1. 이 방법에서는 전자-정공 쌍이 촉매 표면에 흡수되는데, 이러한 흡수는 자외선 조사 하에서 반도체가 수산기 정공을 생성할 수 있는 밴드갭보다 높거나 같은 에너지에 기인합니다. 한편, 과산화물이 산소로 또는 과산화물이 수소로 전자 이동하여 음이온인 O2⋅− 또는 수산기 라디칼(⋅OH)을 생성하는 전자 전달이 강합니다. 촉매 표면의 염기 상태를 산화시키는 능력은 촉매를 술폰, 술폭시드 또는 황산염 이온으로 전환시키며, 이는 물에 의해 제거됩니다18.