폐열 및 재생에너지원과 같은 자원을 활용하는 산업 응용에서 특히 중요하게 다루는 기반(based) 열에너지 관리.

다양한 응용 분야에서 다공성 매질의 기공 구조는 열 및 물질 전달을 촉진하기 위해 제어되어야 하며, 이는 시스템 성능에 상당한 영향을 미친다. 동결주조(freeze-casting)는 정렬된 기공을 형성하는 데 유용한 기술이다. 그러나 관련 장비의 복잡성과 실온 환경에서 액체질소 기반 냉각의 에너지 비효율성으로 인해 산업 적용을 위한 확장성에 한계가 있다. 본 연구의 목적은 심동결 조건에서 방향성 얼음 성장에 의해 장거리 기공 정렬을 구현하기 위해 열전도성 및 단열 재료를 결합한 단순한 금형 설계를 포함하는 새로운 동결주조 전략을 정립하여 대규모 생산을 가능하게 하는 데 있다. 이 기법을 사용하여 NaBr 함침 그래핀 에어로젤(GA-NaBr) 구성에서 축방향 정렬(Axial-GA), 반경방향 정렬(Radial-GA), 무작위 분포(Random-GA) 기공 구조를 개발하였으며, 열에너지 관리에 대한 암모니아 흡착이 향상됨을 확인하였다. 기공 구조는 암모니아 흡착 거동에 유의미한 영향을 미쳤고, 암모니아 이동 거리가 감소하여 Radial-GA가 더 높은 흡착 속도를 보였다. Radial-GA-NaBr 구조는 고유한 흡착 특성을 나타내어 순수 NaBr 분말에 비해 흡착 용량의 ≈85%를 유지하면서도 ≈270%의 흡착 속도 향상을 달성하였다. 종합하면, 본 연구는 용이하고 확장 가능한 방법으로 다양한 구성과 방향성을 갖는 에어로젤을 제조할 수 있음을 보여주며, 이를 통해 산업적 응용 범위를 확장한다.

폐열 및 재생에너지원과 같은 자원을 활용하는 산업 응용에서 특히 중요하게 다루는 기반(based) 열에너지 관리.

다양한 응용 분야에서 다공성 매질의 기공 구조는 열 및 물질 전달을 촉진하기 위해 제어되어야 하며, 이는 시스템 성능에 상당한 영향을 미친다. 동결주조(freeze-casting)는 정렬된 기공을 형성하는 데 유용한 기술이다. 그러나 관련 장비의 복잡성과 실온 환경에서 액체질소 기반 냉각의 에너지 비효율성으로 인해 산업 적용을 위한 확장성에 한계가 있다. 본 연구의 목적은 심동결 조건에서 방향성 얼음 성장에 의해 장거리 기공 정렬을 구현하기 위해 열전도성 및 단열 재료를 결합한 단순한 금형 설계를 포함하는 새로운 동결주조 전략을 정립하여 대규모 생산을 가능하게 하는 데 있다. 이 기법을 사용하여 NaBr 함침 그래핀 에어로젤(GA-NaBr) 구성에서 축방향 정렬(Axial-GA), 반경방향 정렬(Radial-GA), 무작위 분포(Random-GA) 기공 구조를 개발하였으며, 열에너지 관리에 대한 암모니아 흡착이 향상됨을 확인하였다. 기공 구조는 암모니아 흡착 거동에 유의미한 영향을 미쳤고, 암모니아 이동 거리가 감소하여 Radial-GA가 더 높은 흡착 속도를 보였다. Radial-GA-NaBr 구조는 고유한 흡착 특성을 나타내어 순수 NaBr 분말에 비해 흡착 용량의 ≈85%를 유지하면서도 ≈270%의 흡착 속도 향상을 달성하였다. 종합하면, 본 연구는 용이하고 확장 가능한 방법으로 다양한 구성과 방향성을 갖는 에어로젤을 제조할 수 있음을 보여주며, 이를 통해 산업적 응용 범위를 확장한다.

암모니아 기반 흡착 열펌프(Ammonia-based adsorption heat pumps, AAHPs)는 저급 열에너지 활용성의 효율성, 비용 효율성, 친환경성 등으로 인해 큰 주목을 받고 있다. AAHP가 널리 활용되기 위해서는 AAHP에 요구되는 모든 특성을 만족하는 흡착제 재료를 개발하는 것이 필수적이며, 이는 매우 도전적인 과제이다. 금속 할라이드(metal halides, MHs)는 우수한 암모니아 흡착 성능을 보이지만, 암모니아 흡착–탈착 과정에서의 구조적(배열적) 불안정성으로 인해 AAHP에의 실제 적용은 제한되어 왔다. 본 연구에서는 MH-함침 그래핀 에어로겔(MH-impregnated graphene aerogel, GA-NaBr)을 AAHP의 관점에서 고찰하였다. 강하고 유연한 그래핀 네트워크에 의해 형성된 기공 구조와 지지체화된 NaBr의 높은 NH3 친화성으로 인해, 이 복합재는 MH의 문제를 해결하여 순수 NaBr에 비해 훨씬 향상된 흡착 속도와 안정성을 보이면서도 동등한 흡착 용량을 유지하였다. 구조적 안정성과 인상적인 흡착 성능을 바탕으로, GA-NaBr은 AAHP 분야에서의 획기적인 흡착 구조가 될 수 있다.

• UTSA-16(Co)/IL 복합체는 원팟(one-pot) 마이크로웨이브 보조 합성법을 통해 제조되었다. • IL 로딩을 달리한 UTSA-16(Co)의 CO2 포집 성능을 연구하였다. • UTSA-16(Co)과 IL 간의 시너지 효과는 전반적인 흡착 특성을 향상시킨다. • 해당 복합체는 용량이 17% 증가하고 선택성이 27% 향상되는 특성을 보인다. • CO2 포집 용량과 선택성(UTSA-16(Co)/IL)은 5.35 mmol/g 및 127이다. CO2 배출로부터 증가하는 위협은 효과적인 CO2 포집을 위한 고도화된 소재를 요구한다. 본 연구는 원팟 마이크로웨이브 보조 합성법을 사용하여 이온성 액체(IL)인 1-n‑butyl‑3-methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIM][BF4]를 도입함으로써 금속-유기 골격(MOF) UTSA-16(Co)을 향상시키는 방법을 제시한다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 분석을 통해 IL과 UTSA-16(Co) 사이에서 [BF4]− 음이온이 존재함이 확인되었으며, 이는 CO2 흡착 자리가 개선되었음을 시사한다. 전자현미경 및 X선 회절(XRD) 결과는 IL 도입 후에도 UTSA-16(Co)의 형태와 결정성이 보존됨을 확인하였다. Brunauer−Emmett−Teller(BET) 분석에서 표면적이 792 m²/g에서 714 m²/g로 소폭 감소함에도 불구하고, MOF/IL 복합체는 원래의 MOF에 비해 CO2 포집 용량을 17%(5.35 mmol/g) 증가시키고 CO2/N2 선택성을 27%(127) 향상시켰는데, 이는 MOF와 IL의 시너지 효과에 기인한다. 또한 이 복합체는 우수한 습윤 안정성을 보였으며, 습한 공기에서 10일간 보관한 후에도 흡착 용량이 4%(5.11 mmol/g)만 감소하였다. 재사용성 시험에서는 10회의 흡착–탈착 사이클 동안 포집 용량이 변하지 않아, 소재의 안정성과 재사용성을 확인하였다. 이러한 결과는 효율적인 탄소 포집 응용을 위해 맞춤화된 MOF/IL 복합체를 발전시키는 유망한 접근 방향을 제시한다.

3차원 다공성 네트워크로 구성된 그래핀 에어로겔(GAs)은 높은 계면 저항과 구조적 결함으로 인해 본질적으로 낮은 열전도도를 겪는다. 본 연구는 백금 원자층 증착(Pt-ALD)을 통한 계면 결합 엔지니어링이 GAs의 열 수송을 향상시키는지를 규명하고, 이를 1873 K에서의 기존 고온 열처리와 비교하였다. Pt-ALD 처리된 GA(GA-ALD)는 열전도도가 199% 증가하였으며, 이는 열처리를 통해 얻어진 113%의 향상보다 유의하게 더 큰 수준이었다. 구조 분석(SEM, Raman, XRD, XPS) 결과, 인접 층 사이에서 Pt-O-C 공유결합이 형성되었으나 다공성 형태는 보존됨이 확인되었다. GA-ALD 열싱크는 강제대류 조건에서 총 열저항 8.9 K/W를 보였고, 상용 알루미늄 열싱크($8.5K/W$)에 근접하였으면서도 질량은 12%에 불과하였다. 이러한 결과는 Pt-ALD가 다공성 그래핀 구조의 열적 및 기계적 특성 모두를 향상시키는 효과적이고 확장 가능한 방법임을 확인하며, 전기자동차 및 전력 전자기기를 위한 초경량 열싱크 소재로의 유망한 경로를 제공한다.