>3370의 선택성.

고온에서 고체 기반 흡착제를 이용한 CO2 포획은 지구 온난화 및 기후 변화 문제를 해결하기 위한 CO2 포획 및 저장(CCS) 기술로서 주목받아 왔다. 하이드로탈사이트(Hydrotalcite)는 200–400 °C의 온도 범위에서 CO2 흡착제로 널리 사용되는 음이온성 점토이다. 하이드로탈사이트의 상대적으로 낮은 CO2 흡착량을 개선하기 위한 여러 방법 가운데, Mg/Al 몰 비율이 높은 하이드로탈사이트는 CO2 흡착량을 유의하게 증가시켰다. 이는 제조 방법이 하이드로탈사이트 구조에 NaNO3를 포함시킬 수 있게 하였기 때문이다. 최대 CO2 흡착량은 Mg/Al 몰 비율이 30일 때 28.4 wt%로 측정되었다. 흡착 온도에 따라 달라지는 NaNO3의 용융 정도는 250, 275, 300 °C에서의 CO2 흡착 동역학 및 흡착량의 차이를 야기하였다. 반복적인 흡착-탈착 사이클 동안 Mg/Al 몰 비율과 무관하게 250 및 275 °C에서 흡착할 때 CO2 순환 용량은 지속적으로 감소한 반면, 300 °C에서는 증가하였다. 하이드로탈사이트 흡착 온도 250 및 275 °C에서는 용융 온도 미만으로 NaNO3가 부분적으로 용융되었으며, 이는 용융된 NaNO3의 충분한 재배열을 제공하지 못하였다. 그 결과 MgO 구조의 소결(sintering)도 추가로 유발되어 결정립 크기가 증가하였다. 반대로, 용융 온도에 근접한 300 °C에서 용융된 NaNO3의 재배열이 가속되었고, 초기 단계에서의 낮은 CO2 흡착량이 소결을 억제하였다. 또한 하이드로탈사이트 기반 흡착제에서 CO2 흡착 강도의 변화가 사이클 수가 증가함에 따라 서로 다르게 나타났다.

탄소중립(net zero) 배출 달성이라는 전 지구적 당면 과제가 한층 더 강화됨에 따라, 수소 생산을 위한 혁신 기술의 중요성이 크게 대두되고 있다. 본 연구에서는 염소화 폴리비닐 클로라이드(chlorinated polyvinyl chloride, cPVC)를 수산화칼륨(KOH)으로 활성화하여 다공성 탄소 흡착제를 합성함으로써 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)의 향상된 포집을 도모하는 고도화된 접근법을 도입하였다. KOH/cPVC의 비율과 탄화 온도를 조절함에 따라 흡착제의 구조적 특성을 맞춤화하여 성능을 유의미하게 향상시켰다. 합성된 흡착제의 형태학적 및 화학적 특성을 규명하기 위해 주사전자현미경, X선 회절, 흡착 등온선 측정 등 다양한 분석 기법을 사용하였다. 그 결과, 특정 조건에서 CH4 및 CO2 흡착 용량이 크게 향상되었으며, cPVCK1–800 시료는 25 °C 및 1 bar에서 각각 1.94 및 4.20 mmol/g의 흡착량을 나타내었다. 이러한 결과는 환경 적용을 위한 cPVC 유래 다공성 탄소 소재의 유용성을 입증하며, 가스 분리 및 저장을 위한 소재 분야에서 중요한 진전을 의미한다. 또한 흡착제 내 산소 기능기들의 상호작용을 규명하기 위해 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 수행하였고, 이는 이들의 우수한 성능에 기여하였다. 이러한 이론적 통찰은 실험 결과를 보완하며, 다양한 가스 흡착 시나리오에서 이들 소재의 거동에 대한 포괄적 이해를 제공한다. 더 나아가 본 연구 결과는 비용 효율적이고 효율적인 흡착제를 개발하기 위한 새로운 경로를 시사함으로써, 환경 지속가능성 달성을 위한 전 지구적 노력에 기여할 수 있음을 보여준다.

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