[독일] 온실가스 포획에 더 효과적인 수직배열 탄소 나노튜브
 석탄, 석유 및 천연가스와 같은 화석연료의 연소 배출물들은 지구의 대기에 머물면서, 지구 온난화를 가속화하고 있는 온실가스로 작용하고 있다.
이에 전 세계 과학자들은 온실가스를 포획하고 저장할 수 있는 재료에 대한 연구를 수행하고 있다. 이런 공통된 목적은 독일 다름슈다트 공과대학(Technische Universität Darmstadt) 및 인도 칸푸르 기술연구소(Indian Institute of Technology Kanpur)의 과학자들로 하여금, 수직배열 탄소 나노튜브(vertically aligned carbon nanotubes, VACNTs)를 이용해 이산화탄소 및 이산화황(sulfur dioxide, SO2)이라는 두 가지 온실가스를 포획하고 저장하는 것에 대한 타당성 연구를 수행하도록 하였다.
본 연구결과는 Journal of Chemical Physics지에 게재되었으며, 수직배열 탄소 나노튜브에서의 기체의 흡착은, 탄소 나노튜브의 두께, 나노튜브 간 거리 및 높이와 같은 형태학적 인자를 조절함으로써 변경시킬 수 있다는 것을 보고하였다.
본 연구의 주저자이자 다름슈다트 공과대학의 이론 물리화학 및 무기화학과 박사과정 학생인 Mahshid Rahimi 및 Deepu Babu에 따르면, 이런 인자(parameter)들이 수직배열 탄소 나노튜브의 계층적인 구멍의 구조를 미세조절하는 기본이 된다고 밝혔다. 이런 계층효과(hierarchy effect)는 높은 흡착능력뿐만 아니라 나노구조에서의 물질이동을 위한 핵심적인 효소이다. 놀랍게도 이론 및 실험을 통해, 연구팀은 나노튜브의 지름 자체보다 나노튜브 간 거리가 기체 흡착에 훨씬 더 큰 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.
기체의 흡착/탈착이 필요한 분야에서 사용되는 전통적인 탄소 물질은, 구멍의 크기 구조 및 분포로 인해 큰 이력현상(hysteresis effect)을 나타낸다. 따라서 연구팀은 탄소 물질에서의 흡착 및 선택성에 대한 실험 및 이론적인 이해의 깊이를 더하고자 하였다고 밝혔다.
연구팀은 수직배열 탄소 나노튜브를 실험재료로 사용하였는데, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 공정을 통해 샘플을 제조하였다. 이 방법을 통해 탄소 나노튜브의 일정하고 밀집된 형태로 성장시킬 수 있었다. 수직배열 탄소 나노튜브는 이론 및 실험적 연구가 가능한 이상적인 모델 구조라고 Rahimi 및 Babu은 강조하였다.
그럼 탄소 나노튜브의 밀집된 형태로의 성장이 왜 중요한가? 그것은 실험과 이론 사이에서 관계를 탐색할 수 있을 정도로 잘 정렬된 흡착 지점을 가지고 있기 때문이다. 이론상, 연구팀은 분자 시뮬레이션 기법을 사용하여 흡착 과정을 모사한다. 때문에 훨씬 저렴한 비용을 들여 발생할 일에 대해서 예측이 가능할 뿐만 아니라 실험적 연구 시스템에서 발생한 일을 더 심도 있게 이해하는데 도움을 주기 때문이다.
연구팀의 가장 최근 연구에 따르면, 수직배열 탄소 나노튜브의 기체 흡착력은 30bar의 압력 영역에서 다공성 탄소, 제올라이트(zeolite) 및 금속유기 프레임워크와 같은 전통적인 흡착 물질보다 뛰어난 것으로 나타났다. 이것은 자동차용과 같은 기체 저장과 관련된 분야에서도 중요한 의미를 가진다.
연구팀의 향후 계획은, 수직배열 탄소 나노튜브 구조에서 전하(electrical charge)가 부여되는 조건에서의 기체 흡착 및 선택성에 대한 연구를 진행할 예정이다. 이외에도 탄소 나노튜브에 특정 원자를 도입할 예정이다. 이것은 기체에 대한 선택성을 더욱 향상시켜 줄 것이다. 연구팀이 계획하고 있는 또 다른 분야는 탄소 나노튜브에서 개방공간을 조절해 기체 흡착력을 향상시키는 것이라고 덧붙였다.
그림 1> (a) 수직배열 탄소 나노튜브 구조의 사진: 삽입그림은 에탄올 증발 후의 동일한 구조를 촬영한 사진이다. (b) 수직배열 탄소 나노튜브, (c) 에탄올 증발 후의 밀집된 탄소 나노튜브, (d) 물 증발 후에 얻어진 밀집된 탄소 나노튜브 구조에 대한 주사전자현미경 사진 (scale bar = 2μm).
그림 2> 이중벽 탄소 나노튜브 어레이에서의 이산화탄소 흡착에 대한 개념도. T=303 K 및 p=1 bar에서 다양한 내부 튜브의 거리를 보여주고 있다.
원문정보: "Double-walled carbon nanotube array for CO2 and SO2 adsorption," is authored by Mahshid Rahimi, Deepu J. Babu, Jayant K. Singh, Yong-Biao Yang, Jörg J. Schneider and Florian Müller-Plathe, Journal of Chemical Physics , September 22, 2015, DOI: 10.1063/1.4929609
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 28일]
[원문보기]
Vertically aligned carbon nanotubes can chemically trap, store greenhouse gases more effectively than typical materials
Emissions from the combustion of fossil fuels like coal, petroleum and natural gas tend to collect within Earth's atmosphere as "greenhouse gases" that are blamed for escalating global warming.
So researchers around the globe are on a quest for materials capable of capturing and storing greenhouse gases. This shared goal led researchers at Technische Universität Darmstadt in Germany and the Indian Institute of Technology Kanpur to team up to explore the feasibility of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) to trap and store two greenhouse gases in particular: carbon dioxide (CO2) and sulfur dioxide (SO2).
As the team reports in the Journal of Chemical Physics, from AIP Publishing, they discovered that gas adsorption in VACNTs can be influenced by adjusting the morphological parameters of the carbon nanotube thickness, the distance between nanotubes, and their height.
"These parameters are fundamental for 'tuning' the hierarchical pore structure of the VACNTs," explained Mahshid Rahimi and Deepu Babu, the paper's lead authors and doctoral students in theoretical physical chemistry and inorganic chemistry at the Technische Universität Darmstadt. "This hierarchy effect is a crucial factor for getting high-adsorption capacities as well as mass transport into the nanostructure. Surprisingly, from theory and by experiment, we found that the distance between nanotubes plays a much larger role in gas adsorption than the tube diameter does."
Typical carbon materials used in gas adsorption/desorption applications show huge hysteresis effects—in which the value of the physical property lags behind the changes in the effect causing it—due to pore size structure and distribution, so the team originally set out to "gain a deeper experimental and theoretical understanding of the fundamentals of adsorption and selectivity in carbon materials, as well as their application potential," they added.
The team chose VACNTs as a material to explore because they are created via a chemical vapor deposition process, which makes it possible to achieve a dense growth and regular tight packing of carbon nanotubes. VACNTs are "ideal model structures on which theory and experiment can be probed," said Rahimi and Babu.
Why is the dense growth and tight packing of carbon nanotubes important? "It allows our team to introduce well-defined adsorption sites that can be explored theoretically and creates an ideal symbiosis between experiment and theory," Rahimi said. "For theory, we rely on a molecular simulation method to simulate the adsorption process so it's as similar to the experiment as possible. This lets us predict what will happen in a much cheaper way, as well as explore what's happening in the experimentally studied system more deeply."
The team's most recent findings show that the gas adsorption provided by VACNTs is superior to typical adsorption materials such as porous carbon, zeolites and metal organic frameworks within the mid-pressure (30 bars) regime. "This adsorption range is important for technologically relevant processes like gas storage for automotive purposes," noted Rahimi.
As far as their future plans, the team will continue studying gas adsorption and selectivity under electrical charging conditions in VACNT structures. "Beyond this, we'll introduce specific atoms to achieve controlled elemental doping of the carbon nanotubes," she added. "This will allow us to further tune the gas selectivity. Another area we'll also explore is 'controlled carbon nanotube openings' in such VACNTs to increase the gas adsorption."
| 
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
