자체조립을 통하여 합성된 중간배렬구조를 가진 질소함유다공성탄소의 KOH처리후 활성화

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《정보기술, 나노기술, 생물공학을 비롯한 핵심기초기술과 새 재료기술, 새 에네르기기술, 우주기술, 핵기술과 같은 중심적이고 견인력이 강한 과학기술분야를 주타격방향으로 정하고 힘을 집중하여야 합니다.》

우리는 질소를 함유한 중간다공성탄소(NOMCs)의 기공구조특성에 대한 KOH처리후 활성화에 대한 영향을 연구하였다. 중간기공들이 주기적으로 존재할 때 KOH/탄소(C)의 무게비와 활성화온도를 조절하면 BET표면적과 총체적을 1 652m²/g, 0.92cm³/g까지 현저히 증가시킬수 있다.

최근 년간 질서있는 중간구조를 가진 다공성탄소재료들은 흡착/분리, 촉매담체, 초대용량콘덴샤, 수감부전극과 같은 깨끗한 에네르기분야에서 기계적이고 화학적인 안정성을 가진 균일한 배렬로 하여 많은 과학적주목을 끌고있다.

초기 중간다공성탄소들의 가장 일반화된 활성화는 불활성분위기(보통 질소대기)하에서 수산화칼리움(KOH), 수산화나트리움(NaOH), 염화아연(ZnCl₂), 린산염(H₃PO₃) 등의 침투를 포함한 화학적활성화와 고온에서 수증기, 산소 또는 이산화탄소의 존재하에서의 물리적활성화에 기초하고있는데 이것은 활성탄의 상업적생산을 위한 방법들과 류사하다.

그림. NOMC(a), NOMC-4-700(b), NOMC-4-750(c), NOMC-4-800(d), NOMC-6-750(e), NOMC-6-800(f)의 TEM화상

이 연구에서는 질소함유다공성탄소의 KOH활성화와 탄화과정을 체계적으로 연구하여 CO₂포획을 위한 최량화된 활성화조건들을 결정하였다.

KOH 활성화는 700~850℃의 온도범위에서 1h동안 진행하였으며 KOH/탄소(C)의 무게비는 각각 4.0, 6.0으로 조절되였다.

결과자료는 KOH활성화과정이 높은 비표면적과 기공부피가 큰 다공성탄소들을 제공하며 한편 질서통로들을 가진 중간형태들은 여전히 800℃까지의 활성화온도와 4.0의 KOH/탄소(C)의 무게비를 가진 조건하에서 보존될수 있다는것을 보여주었다.

최량화된 조건에서 활성화된 활성질소함유중간다공성탄소가 우수한 CO₂포획(3.12mmol/g, 298K, 0.95bar)과 선택성(18.5, 298K)을 보여준다는것이 밝혀졌다. 이 재료는 CO₂포집을 위한 흡수제의 유망한 후보자로 될수 있다.

이상의 연구결과는 잡지《Chemical Physics Letters》에 《Post-KOH activation of nitrogen-containing porous carbon with ordering mesostructure synthesized through a self-assembly》 (https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.137028)의 제목으로 출판되였다.