マグネシウムアミノクレーとTiO₂を活性炭繊維マトリックスに固定化した新規光触媒複合体の汚染物質除去への応用

A Novel Photocatalyst Composite of Magnesium Aminoclay and TiO₂ Immobilized into Activated Carbon Fiber (ACF) Matrix for Pollutant Removal.

• Thanh Ngoc Nguyen
• Vinh Van Tran
• Vu Khac Hoang Bui
• Minjeong Kim
• Duckshin Park
• Jaehyun Hur
• Il Tae Kim
• Hyun Uk Lee
• Sangwon Ko
• Young-Chul Lee

抄録

二酸化チタン（TiO₂）は半導体光触媒であり、優れた光触媒特性を有しているため、多くの分野で広く応用されている。しかし、ナノ粒子や粉末の形での実用化にはまだいくつかの限界があります。最近では、新しい光触媒多孔質複合材料が代替的なアプローチの可能性を秘めていることが発見されている。本研究では、活性炭繊維(ACF)マトリックス上へのナノ構造化マグネシウムアミノクレーベースTiO₂(MgAC-TiO₂)の堆積に成功し、その後、空気雰囲気中350℃で焼成した。この光触媒複合体の構造と光触媒活性は、走査型電子顕微鏡(SEM)、X線光電子分光法(XPS)、ブルナウアー・エメット・テラー(BET)、紫外-可視拡散反射スペクトル分析によって特徴づけられた。MgAC-TiO₂/ACFの光触媒活性は、溶液中のメチレンブルー(MB)を紫外線照射下、暗条件下でバッチ条件で除去することを検討した。その結果、MBはMgAC-TiO₂/ACFに吸収され、UV照射下では光分解が起こることが明らかになった。MgACを添加することでTiO₂の焼結を防止し、分散剤として作用して高い比表面積を形成し、光触媒効率を高めることができる。また、MgAC-TiO₂/ACF複合体に含まれるACFは、相乗効果として知られる電子-正孔再結合を阻害することで光触媒活性をさらに向上させ、MBの光分解・除去効率を高めることができる。

Titanium dioxide (TiO₂) is a semiconductor photocatalyst widely applied in numerous fields due to possessing prominent photocatalytic properties. However, its practical applications in the form of nanoparticles or powders still have remained several limitations. Recently, novel photocatalytic porous composites have been discovered to be potential alternative approaches. In the present study, nanostructured magnesium-aminoclay-based TiO₂ (MgAC-TiO₂) was successfully deposited on an activated carbon fiber (ACF) matrix using the sol-gel approach followed by calcination at 350°C in an air atmosphere. The structure and photocatalytic activity of this as-prepared photocatalyst composite were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the Brunauer-Emmett-Teller (BET), and UV-vis diffuse reflectance spectral analysis. The photocatalytic activity of MgAC-TiO₂/ACF was investigated under batch conditions for the removal of methylene blue (MB) in solution under UV irradiation and dark conditions. The results revealed that MB is absorbed by MgAC-TiO₂/ACF and that its photodecomposition occurs under UV irradiation. The addition of MgAC can prevent the sintering of TiO₂ act as a dispersing agent to create a high specific surface area, and thus enhance photocatalytic efficiency. In addition, ACF in the MgAC-TiO₂/ACF composite can additionally improve the photocatalytic activity by hindering electron-hole recombination, which is known as a synergetic effect, and thereby enhancing the photodegradation and removal efficiency of MB.