Uniform $TiO_2$ film deposition on silica gel powders has been studied by using Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) in a Circulating Fluidized Bed (CFB) reactor (18 mm-ID × 1000 mm-high).
To determine the optimum operating conditions of PECVD, the hydrodynamic properties have been determined. The optimum aeration velocity is 18.3 mm/s for solid circulation rate and gas velocity to the riser is 0.55 m/s for the $TiO_2$ deposition on silica gel powders.
$TiO_2$ films on silica gel (Silica gel, 100μm) powders were deposited by using precursor $Ti(O-i-C_3H_7)_4$ (TTIP, 98%, Junsei) and oxygen as a reaction gas. Helium gas (99.999%) was used as a plasma gas for generation of glow discharge. The optimum reaction conditions for deposition of $TiO_2$ thin films have been determined with variations of plasma power, oxygen concentration, precursor flow rate and treatment time. The effect of argon concentration was also investigated which has a role to expand plasma volume. To characterize the synthesized thin films, X-ray diffraction spectra (XRD), scanning electron microscope (SEM), EDS, BET and XPS analyses were employed.
From 350W of plasma power, $TiO_2$ crystals were observed at the surface of the powder. At the oxygen concentration of 3.6 vol% and the precursor flow rate of 0.4 g/min, anat ase content of the powder is the highest that indicates high TiO2 photocatalytic activity. The Ti content increases up to 50 wt% on powder surface with the treatment time. The $TiO_2$ crystals are evenly distributed on the surface of silica gel powder at argon concentration of 8.18 vol%. Moreover, the plasma treated silica gel powders has larger specific surface area due to the deposition of spherical $TiO_2$ crystals compared to that from the sol-gel method.
Fine silica gel powders (69μm) are difficult to circulate in a CFB reactor because of strong adhesion forces among the powders especially contact with the precursor. To improve solids circulation, the binary particle mixture was employed by the adding coarse particle (Silica gel, 163 or 100μm) and found that solid circulation is improved with the binary mixture system. With the binary mixture of 69μm and 100μm, the $TiO_2$ crystals deposition on fine powders is more pronounced compared with the 69μm and 163μm mixture system. That\'s why the binary mixture\'s circulation was improved as a result of decreasing the particle size differences. The optimum $TiO_2$ films deposition conditions on fine powders (69μm) were 3.64 vol% of argon and 7.6 vol% of oxygen when 69μm and 100μm were mixed.
PECVD를 이용하여 순환유동층 반응기(18mm-ID*1000mm-high)에서 균일한 $TiO_2$ 박막의 증착에 관한 연구를 진행하였다. PECVD 증착이 가장 잘 이루어지는 최적의 조건을 찾기 위해 수력학적 특성 고찰을 통해 L-valve의 통기되는 기체 유속을 18.3mm/s, 상승관의 기체 유속을 0.55m/s로 결정하였다. 박막 증착의 지지체로는 100μm의 실리카 겔을 사용하였고 titanium tetraisopropoxide (TTIP, 98%)를 전구체 및 산소를 반응 기체로 사용하였다. 고순도의 헬륨을 플라즈마 생성 기체로 사용하였다. 플라즈마의 power, 산소 농도, 전구체 유량 및 처리 시간을 달리하면서 증착 실험을 수행하였고 플라즈마 글로우 방전 영역의 확장을 위해 아르곤 기체의 농도를 달리하며 첨가하였다. 생성된 박막은 XRD, SEM, EDS, BET 및 XPS를 이용하여 분석하였다.
350W부터 입자 표면에서 $TiO_2$ 박막이 관찰되었다. 또한 3.6vol%의 산소 농도 및 0.4g/min으로 전구체를 주입하였을 때 광촉매적 활성이 우수한 anatase 성분이 가장 높게 관찰되었다. 처리 시간이 증가함에 따라 입자 표면에서의 Ti 성분 또한 증가함을 확인할 수 있었는데 5시간 처리의 경우, 50wt%의 Ti 성분이 검출되었다. 아르곤 농도가 8.18vol%로 주입될 때 입자 표면 전체에 균일한 크기의 구형의 $TiO_2$ 결정이 증착되었음을 확인할 수 있었는데 이 조건에서 생성된 $TiO_2$ 광촉매는 sol-gel에 의해 생성된 TiO2 광촉매보다도 비표면적이 훨씬 큰 값을 보였다.
미세한 실리카 겔(69μm)은 입자 사이의 응집력에 의해 순환유동층 반응기에서 순환이 잘 이루어지지 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 조립질 실리카 겔(163 또는 100μm)을 첨가한 이중 입자 혼합물을 만들어서 입자의 순환을 개선시켰다. 69μm의 미세 입자에 100μm의 조립질 실리카 겔을 첨가하였을 때 69μm의 미세 입자 표면에 더 많은 $TiO_2$ 결정이 증착됨을 확인할 수 있다. 이는 미세 입자 및 조립질 입자의 입도 차가 작아서 입자의 순환이 더 원활하게 이루어졌기 때문이다. 미세 입자(69μm) 표면에 $TiO_2$ 박막 증착이 가장 잘 이루어지는 조건은 100μm의 입자에 혼합하여 3.64vol%의 아르곤 및 7.6vol%의 산소가 주입되었을 때이다.
