| [미국] 대기의 이산화탄소를 활용한 에너지 저장용 소재 개발
미 오레곤 주립대학(Oregon State University)의 화학자 및 공학자들은 대기중에서 온실효과(Greenhouse Effect)를 유발하는 이산화탄소(Carbon Dioxide) 일부를 포획한 후 에너지 저장(Energy Storage) 제품에 사용할 수 있는 고부가 물질로 만들기 위한 새로운 방안을 도출하였다. 과학자들은 나노기술의 혁신이 지구 온난화 문제를 모두 해결할 만큼의 충분한 탄소를 흡수할 수는 없다고 말한다. 그러나 나노기술을 통해 환경친화적이면서 비교적 경제적인 방안을 확보할 수 있다. 예를 들어, 나노기술은 에너지를 저장하였다가 빠르게 배출할 수 있는 장치인 슈퍼캐패시터(Supercapacitor) 내에 활용이 가능한 나노기공 그래핀(Nanoporous Graphene)을 만드는데 활용된다. 이러한 장치들은 중공업 분야로부터 소비자전자제품까지 다양한 분야에서 활용되고 있다.
연구진은 화학반응 개발을 통해 나노기공 그래핀을 최종 결과물로 확보하였다. 그래핀은 원자 및 결정 구조로 정렬된 탄소 형태로 그래핀 1g당 약 1,900 ㎡의 큰 비표면적(Specific Surface Area)을 갖고 있다. 이러한 이유로 그래핀의 전기전도도(Electrical Conductivity)는 상업용 슈퍼캐패시터를 만들기 위해 일반적으로 사용되는 활성탄(Activated Carbon) 대비 10배 이상 높다. 이번 연구논문의 주 저자이자 OSU 과학대학의 Xiulei (David) Ji 교수는 "나노기공의 그래핀을 제작할 수 있는 많은 방법들이 있지만 연구진이 개발한 접근방법은 훨씬 빠르며, 환경에 대한 영향이 적고 비용도 절감할 수 있다"고 말한다. 또한 그는 "연구진이 제조한 제품은 높은 표면적과 전도도를 보여주고 있으며, 상업용 활성탄소에 비교할만한 고밀도를 갖고 있다는 점에서 중요하다 말할 수 있다. 그리고 사용되는 탄소 자원은 지속가능한 이산화탄소이다. 따라서 에너지 저장 제품의 가치를 높이면서 풍부한 이산화탄소를 활용할 수 있다는 장점이 있다"고 설명하였다.
Ji 교수는 자신들의 공정이 제품에 사용되는 물질이 저렴하고 제조과정은 간단하기 때문에 상업화 규모 생산으로 확장할 수 있는 가능성이 충분하다고 말한다. 이번 연구의 화학반응에는 마그네슘(Magnesium)과 아연 금속(Zinc Metal)을 혼합하는 것이 포함되어 있으며, 이는 최초로 발견된 조합이기도 하다. 이 혼합물을 이산화탄소 흐름 하에서 고온까지 가열하면 금속열 지배반응(Controlled Metallothermic Reaction)이 일어난다. 이 반응을 통해 각 원소들은 금속산화물과 나노기공 그래핀으로 변환된다. 그래핀은 강도가 높으면서도 열과 전기를 효과적으로 전도할 수 있다. 그리고 금속산화물은 산업공정을 보다 효율적으로 만드는데 재활용될 수 있다.
나노기공 그래핀을 만드는 다른 방법들은 부식성과 독성이 있는 화학물질을 사용하기 때문에 대규모 상업화 단계까지 확장하는데 어려움이 있다. Ji 교수는 “대부분의 상업용 탄소 슈퍼캐패시터는 활성탄을 전극으로 사용하고 있으나 이들의 전기전도도는 매우 낮다. 연구진은 보다 많은 에너지를 전달하도록 빠르게 에너지를 저장했다가 사용할 수 있게 만들기 원했다. 그리고 전도성이 우수한 나노기공 그래핀은 이러한 목적에 부합한다고 볼 수 있다. 나노기공 그래핀은 강력한 슈퍼캐패시터를 만드는데 중요한 문제를 해결할 수 있다”고 밝혔다.
슈퍼캐패시터는 에너지 저장 장치의 일종이나 배터리와 비교했을 때 더 빠르게 충전이 가능하면서 많은 양의 전기를 저장할 수 있다. 이들은 가전제품에 활용되고 있으며, 크래인부터 지게차까지 다양한 장치를 이용하는 중공업 분야에서도 적용될 수 있다. 또한 브레이크(Braking) 작동과 같이 포획하지 않으면 소멸되는 에너지를 확보하는데 도움을 준다. 그리고 이들의 저장 능력을 활용하여 풍력에너지와 같은 대체 에너지 시스템에서 발생하는 전력 흐름을 원할하게 해 줄 수 있다. 제세동기, 항공기 비상슬라이드 개방 등의 활용분야에 전력을 공급할 수 있으며, 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Automobile)의 효율을 크게 개선하는데에도 기여할 수 있으며, 나노기공 탄소물질을 환경 필터로 활용하여 가스의 오염물을 흡수하거나 수처리에 활용될 수 있다. 그렇지만 이들의 사용이 지속 증가하는데 반해 높은 비용에 따른 제약이 존재해왔다.
OSU 과학대학(OSU College of Science), OSU 공과대학(College of Engineering), 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory), 사우스플로리다 대학(University of South Florida), 국립에너지기술연구소(National Energy Technology Laboratory, NETL)로 이루어진 연구진은 OSU로부터 지원을 받아 이번 연구를 수행하였으며 Nano Energy 저널에 연구결과를 발표하였다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 5일]
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Atmospheric carbon dioxide used for energy storage products
Chemists and engineers at Oregon State University have discovered a fascinating new way to take some of the atmospheric carbon dioxide that's causing the greenhouse effect and use it to make an advanced, high-value material for use in energy storage products.
This innovation in nanotechnology won't soak up enough carbon to solve global warming, researchers say. However, it will provide an environmentally friendly, low-cost way to make nanoporous graphene for use in "supercapacitors" -- devices that can store energy and release it rapidly.
Such devices are used in everything from heavy industry to consumer electronics.
The findings were just published in Nano Energy by scientists from the OSU College of Science, OSU College of Engineering, Argonne National Laboratory, the University of South Florida and the National Energy Technology Laboratory in Albany, Ore. The work was supported by OSU.
In the chemical reaction that was developed, the end result is nanoporous graphene, a form of carbon that's ordered in its atomic and crystalline structure. It has an enormous specific surface area of about 1,900 square meters per gram of material. Because of that, it has an electrical conductivity at least 10 times higher than the activated carbon now used to make commercial supercapacitors.
"There are other ways to fabricate nanoporous graphene, but this approach is faster, has little environmental impact and costs less," said Xiulei (David) Ji, an OSU assistant professor of chemistry in the OSU College of Science and lead author on the study. "The product exhibits high surface area, great conductivity and, most importantly, it has a fairly high density that is comparable to the commercial activated carbons.
"And the carbon source is carbon dioxide, which is a sustainable resource, to say the least," Ji said. "This methodology uses abundant carbon dioxide while making energy storage products of significant value."
Because the materials involved are inexpensive and the fabrication is simple, this approach has the potential to be scaled up for production at commercial levels, Ji said.
The chemical reaction outlined in this study involved a mixture of magnesium and zinc metals, a combination discovered for the first time. These are heated to a high temperature in the presence of a flow of carbon dioxide to produce a controlled "metallothermic" reaction. The reaction converted the elements into their metal oxides and nanoporous graphene, a pure form of carbon that's remarkably strong and can efficiently conduct heat and electricity. The metal oxides could later be recycled back into their metallic forms to make an industrial process more efficient.
By comparison, other methods to make nanoporous graphene often use corrosive and toxic chemicals, in systems that would be challenging to use at large commercial levels.
"Most commercial carbon supercapacitors now use activated carbon as electrodes, but their electrical conductivity is very low," Ji said. "We want fast energy storage and release that will deliver more power, and for that purpose the more conductive nanoporous graphene will work much better. This solves a major problem in creating more powerful supercapacitors."
A supercapacitor is a type of energy storage device, but it can be recharged much faster than a battery and has a great deal more power. They are mostly used in any type of device where rapid power storage and short, but powerful energy release is needed.
They are being used in consumer electronics, and have applications in heavy industry, with the ability to power anything from a crane to a forklift. A supercapacitor can capture energy that might otherwise be wasted, such as in braking operations. And their energy storage abilities may help "smooth out" the power flow from alternative energy systems, such as wind energy.
They can power a defibrillator, open the emergency slides on an aircraft and greatly improve the efficiency of hybrid electric automobiles. Nanoporous carbon materials can also adsorb gas pollutants, work as environmental filters, or be used in water treatment. The uses are expanding constantly and have been constrained mostly by their cost.
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