풀러

Aug 08, 2023

연구진, 기공구조 설계성과 제어성이 높은 상향식 공정으로 수분흡착 다공성 그래핀 제조

치바대학

이미지: 풀러렌 충전 비율이 25 ± 8%인 풀러렌 기둥 다공성 그래핀은 균일한 나노 기공과 상대 습도 40%에서 가장 큰 수증기 흡착 용량을 가지며 가스 및 액체 정화 및 농축 공정에 잠재적으로 응용할 수 있습니다.더보기

크레딧: 치바 대학의 오바 토모노리(Tomonori Ohba)

분리 공정은 수질 정화, 오염물질 제거, 히트펌프 과정에서 목적 분자의 정제 및 농축에 필수적이며, 전 세계 에너지 소비량의 10~15%를 차지합니다. 분리 공정을 보다 에너지 효율적으로 만들기 위해서는 다공성 물질 설계의 개선이 필요합니다. 이를 통해 에너지 비용을 약 40~70%까지 대폭 줄일 수 있습니다. 분리 성능을 향상시키는 일차적인 접근 방식은 기공 구조를 정밀하게 제어하는 ​​것입니다. 이러한 점에서 다공성 탄소 소재는 한 가지 유형의 원자로만 구성되어 분리 공정에 널리 사용된다는 점에서 뚜렷한 이점을 제공합니다. 기공 부피와 표면적이 커서 가스 분리, 수질 정화 및 저장에 높은 성능을 제공합니다. 그러나 기공 구조는 일반적으로 이질성이 높고 설계성이 낮습니다. 이는 분리 및 저장에 탄소 재료의 적용 가능성을 제한하는 등 다양한 과제를 제기합니다. 이제 치바 대학의 오바 도모노리 부교수가 이끌고 석사 과정의 하라구치 카이 씨와 이와카미 소고 씨가 포함된 일본 연구진이 고도로 설계 가능하고 제어 가능한 기공 구조를 갖춘 상향식 접근 방식을 사용하여 나노카본으로 구성된 탄소 복합재인 풀러렌 기둥 다공성 그래핀(FPPG)을 제작했습니다. 그들은 2023년 6월 16일 온라인에 공개되고 2023년 6월 29일 The Journal of Physical Chemistry C 127권 25호에 게재된 최근 기사에서 이 새로운 수분 흡착 물질의 합성, 특성화 및 특성을 자세히 설명합니다. 연구진은 그래핀에 풀러렌 용액을 첨가해 풀러렌-그래핀-풀러렌 샌드위치 구조 형태의 FPPG를 제작했다. 그들은 풀러렌-그래핀 조성물을 가볍게 코팅하고 이를 1~10회 적층했습니다. 합성의 새로운 조정 기능을 통해 다공성 그래핀의 풀러렌 충전을 정밀하게 제어할 수 있었습니다. 다양한 풀러렌 충전 비율을 사용하여 FPPG 구조를 개발한 후 연구원들은 실험 기술과 그랜드 표준 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 수증기 흡착 특성을 조사했습니다. 그들은 4% 풀러렌으로 채워진 그래핀이 수증기를 약간만 흡수한다는 것을 발견했습니다. 풀러렌 충진량을 5%로 증가시키면 층류 다공성 그래핀의 나노기공이 붕괴되어 흡착량이 더욱 감소하였다. 그러나 충진율을 25% 가까이 높이자 놀라운 결과가 나왔습니다. Ohba 박사는 “25 ± 8% 풀러렌을 함유한 FPPG는 크고 균일한 나노 기공 생성으로 인해 상대 습도 40%에서 가장 큰 수증기 흡착 용량을 가졌습니다.”라고 강조합니다. FPPG의 풀러렌 충진 비율을 최대 50%까지 증가시켜, 흡착능력이 떨어지네요. 몬테 카를로 시뮬레이션은 이러한 관찰에 동의하여 과도한 풀러렌 함량이 나노 기공을 감소시켜 결과적으로 물 클러스터 형성을 방지한다는 것을 보여주었습니다. “설계 및 제어 가능한 FPPG 기공 구조와 함께 상향식 기술은 개발을 촉진할 수 있습니다. 가스와 액체 정화 및 농축 공정의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 소재가 더 많이 나올 것입니다.”라고 낙관적인 Ohba 박사는 추측합니다. "이것은 결과적으로 분리 공정을 통해 제조된 수많은 제품의 비용을 상당히 낮출 것입니다." FPPG와 같은 새로운 다공성 탄소는 잠재적으로 저장 및 정화 응용 분야에 혁명을 일으켜 에너지 효율성과 비용 효율성을 높일 수 있습니다.