산화그래핀/고분자 복합체의 다양한 기능성이 선택적 CO2 포집에 미치는 영향에 대한 실험적 및 이론적 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15992(2022) 이 기사 인용

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지속적으로 증가하는 대기 중 CO2 농도를 줄이고 다양한 조건(온도, 압력) 및 연도 가스 구성에서 효과적인 솔루션을 제공할 수 있는 다양한 기술이 끊임없이 필요합니다. 본 연구에서는 쉽게 확장 가능하고 저렴하며 환경 친화적인 CO2 포집 기술을 개발하려는 목적으로 CO2 포집 응용을 위한 다양하고 유망한 후보로서 산화 그래핀(GO)과 기능화된 수성 폴리머 입자의 조합을 조사했습니다. 폴리머 입자를 기능화하고 복합 나노구조에 CO 친화성을 제공하기 위해 선택할 수 있는 다양한 기능성 모노머의 엄청난 가능성이 있습니다. 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 이러한 복잡한 복합 재료와 CO2 및 N2 분자의 상호 작용을 더 깊이 이해하고 기능성 단량체에 대한 효율적인 스크리닝을 위한 기반을 구축했습니다. CO2와 메틸 메타크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트 및 다양한 기능성 모노머의 공중합체로 구성된 일련의 GO/폴리머 복합체 사이의 결합 에너지를 추정하면 이것이 폴리머 기능성에 크게 의존한다는 것을 알 수 있습니다. 어떤 경우에는 GO의 협력 효과가 부족합니다. 이는 현저하게 강한 GO-폴리머 결합으로 설명되며, 이는 덜 효과적인 CO2-폴리머 상호작용을 유도합니다. 실험 결과와 비교할 때, 나노복합체 구조가 유사한 질감 특성을 나타내는 경우 N2에 대한 선택적 CO2 포집에 대한 동일한 경향이 나타났습니다. CO2 포집을 위한 새로운 기능성 재료와 CO2 분자와 다양한 재료 사이의 상호 작용에 대한 더 깊은 이해 외에도, 이 연구는 DFT 계산이 선택적 CO2 포집을 위한 복합 재료의 최상의 기능화를 효율적으로 선택하는 데 더 짧은 경로가 될 수 있음을 추가로 보여줍니다.

대기 중 온실가스 농도의 현저하고 지속적인 증가는 오늘날 가장 근본적이고 지속적인 문제 중 하나로 바뀌었습니다. 화석 연료 매장량은 여전히 ​​​​적당하고 개발 도상국은 경제 성장 과정에 있기 때문입니다. 다양한 온실가스 중에서 이산화탄소(CO2)는 지구 온난화 시나리오의 핵심 요소입니다1. 2020년까지 전 세계 CO2 포집 용량이 4천만 톤에 도달하더라도 기후 변화에 상당한 영향을 미치려면 연간 기가톤의 CO2를 포집해야 합니다2. 그린에너지 기술은 화석연료 에너지원을 대체할 수 있는 시점과는 거리가 멀기 때문에 CO2 배출 저감, 이에 따른 지구온난화 저감은 오늘날 가장 어려운 환경 문제 중 하나입니다. 따라서 효율적이고 선택적이며 저렴한 탄소 포집 기술의 개발이 중요합니다2. 화학적/물리적 흡착3, 효소 전환4, 막 분리5 등의 전략이 잠재적인 솔루션으로 등장했습니다.

CO2 포집을 위해 다공성 폴리머, 이온 교환 수지, 공유 및 금속 유기 골격, 제올라이트, 실리카 및 알루미나 기반 물질, 금속 산화물 등 다양한 흡착제가 제안되었습니다. 그러나 대부분의 흡착제는 흡착 용량이 낮거나(또는 포화에 오랜 시간이 필요함), 다른 가스에 비해 우수한 화학적/열적 안정성 및/또는 선택성이 부족하거나, 제올라이트 기반 흡착제와 같이 수분이 있는 경우 활성이 감소합니다9 , 10.

탄소 기반 흡착제는 가장 높은 흡착 용량과 재생을 위한 상대적으로 낮은 에너지 요구 사항 중 하나로 인해 언급된 단점의 대부분을 극복할 수 있는 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다6,7,8. 또한, 넓은 표면적, 사이클 작동의 안정성, 쉽게 기능화할 수 있는 다공성 구조 및 빠른 흡착 동역학과 같은 특징은 이를 가장 유망한 흡착제 중 하나로 승인합니다. 이들 재료 중에서 생산 비용이 저렴하기 때문에 그래핀 및 그 파생물이 상업적 용도로 고려되고 있습니다. 흡착 능력과 분리 능력을 더욱 향상시키기 위해 헤테로 원자(N, S, O 등)를 이용한 그래핀 표면의 기능화에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있으며, 폴리피롤(12), 폴리아닐린(13), 폴리인돌(14), 폴리티오펜(15)과 같은 고분자와의 복합체 제조가 활발히 진행되고 있습니다. , 모노-, 디- 및 트리에틸렌-트리아민16, 테트라에틸렌펜타민17, 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)/폴리스티렌 설포네이트18, 폴리(디메틸실록산)19, 폴리에테르 블록 아미드20, 폴리에틸렌-이민21 및 금속-유기 골격22도 포함됩니다.