신소재: 과학자들이 이산화탄소를 탄소나노섬유로 전환하는 과정을 료해하다

미국 에너지부는 브룩 헤이븐 국립 연구소와 컬럼비아 대학의 연구원들이 광범위한 성능과 많은 잠재적 용도를 가진 이산화탄소를 탄소 나노 섬유로 변환 할 수있는 전기 화학과 열 화학 반응을 결합하는 새로운 기술을 공동으로 개발했다고 발표했다.

이 기술은 상대적으로 낮은 온도와 환경 압력에서 탄소를 고체 형태의 물질에 고정시켜 탄소 배출을 상쇄하고 심지어 마이너스 탄소 배출까지 실현할 수 있다.이 연구는 최근'자연-촉매'에 발표되었다.

"탄소 나노섬유를 시멘트에 넣어도 된다."논문 교신저자 중 한 명인 천징광 컬럼비아대 화학공학 교수는 "탄소를 콘크리트에 50년, 심지어 더 오래 가둘 것"이라고 소개했다.

또한 이 공정은 수소를 생산하는 데 사용될 수 있으며 사용 시 제로 배출이 가능한 유망한 대체 연료입니다.

이산화탄소를 포획하거나 기후 변화에 대처하기 위해 다른 재료로 변환하려는 아이디어는 새롭지 않지만 단순히 이산화탄소를 저장하면 누출이 발생할 수 있습니다.이산화탄소를 전환시켜 발생하는 많은 탄기화학품이나 연료는 즉시 사용에 투입되여 이산화탄소가 대기로 방출된다.

천징광은"우리는 이산화탄소를 부가가치와 견고하고 유용한 물질로 전환하려고 한다"고 말했다.

이 고체 탄소 재료는 크기가 10 억 분의 1 미터 인 탄소 나노 튜브와 나노 섬유를 포함하며 강도, 열 전도도 및 전도도를 포함하여 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다.그러나 이산화탄소에서 탄소를 추출하여 이런 정밀한 재료로 전환시키려면 1000℃ 가 넘는 온도가 수요되는데 이는 대규모 감축에 있어서 현실적이지 못하다.

이에 비해 과학연구일군이 연구개발한 이런 공예는 400 ℃ 좌우에서 실현될수 있으며 공업분야에서 사용할수 있다.

논문 제1저자인 브룩헤이븐 국립연구소와 컬럼비아대 연구진 셰진화는 "몇 개의 하위 반응 단계로 반응을 분해하면 다양한 종류의 에너지 입력과 촉매를 이용해 반응의 모든 부분이 작동하도록 하는 것을 고려할 수 있다"고 말했다.

연구진은 먼저 탄소 나노섬유를 만드는 데 일산화탄소가 이산화탄소보다 더 좋은 원재료라는 것을 깨닫고 이산화탄소에서 일산화탄소를 생성하는 효과적인 방법을 찾기 시작했다.

이 팀의 초기 작업은 이산화탄소와 물을 일산화탄소와 수소로 분해하는 탄소 부하 팔라듐으로 만든 시판 전기 촉매를 사용하도록 유도했다.

두 번째 단계에서 과학자들은 이산화탄소를 탄소 나노 섬유로 직접 전환하는 데 필요한 온도보다 훨씬 온화한 400 ℃ 정도의 온도에서 작동하는 철 코발트 합금으로 만든 열 활성화 열 촉매로 전환했습니다.그들은 또한 약간의 추가 금속 코발트를 첨가하면 탄소 나노 섬유의 형성을 촉진 할 수 있다는 것을 발견했다.

천징광은"전기 촉매와 열 촉매를 직렬로 연결하는 공정을 통해 이 두 공정만으로는 달성할 수 없는 목표를 달성하고 있다"고 말했다."

이러한 촉매가 어떻게 작동하는지 알아보기 위해 연구자들은 계산 모델링 연구, 물리 및 화학 표징 연구, 전자 현미경을 사용한 미시적 이미징 연구를 포함한 광범위한 실험을 수행했습니다.

모델링 방면에서 과학자들은 밀도 범함 이론을 사용하여 촉매와 활성 화학 환경이 상호 작용할 때의 원자 배열과 기타 특성을 분석함으로써 촉매가 반응 과정 중의 작용을 정확하게 이해할 수 있다.

아울러 연구진은 탄소 나노섬유가 자라면서 촉매가 표면에서 밀려나면서 촉매 금속을 더 쉽게 회수할 수 있는 것으로 분석했다.

"산으로 금속을 침출하면 탄소 나노섬유를 파괴하지 않는다. 이렇게 하면 우리는 금속을 농축하고 이를 회수하여 다시 촉매로 사용할 수 있다."진경광은 다음과 같이 표시했다.

촉매의 재활용성, 상업적 가용성, 그리고 두 번째 반응이 상대적으로 온화한 반응 조건은 이 과정과 관련된 에너지 및 기타 비용을 평가하는 데 도움이 된다.

연구 결과에 따르면 이러한 직렬 전략은 이산화탄소를 탈탄시켜 가치 있는 고체 탄소 제품으로 만드는 동시에 재생 가능한 수소를 생산하는 문을 열었다.

연구진은 한 걸음 더 나아가 이런 과정이 재생에너지에 의해 구동된다면 결과는 진정한 마이너스 탄소 배출로 탄소 배출을 완화하기 위한 새로운 경로를 개척할 것이라고 말했다.