탄소 응집체 층 내 기체흡착에 대한 연구

Abstract

본 연구에서 기체 흡착 특히 수소 저장을 위해 탄소 나노응집체를 제조, 적층하는 기술을 개발했다. 이 기술은 응집체를 이루는 기본 입자 간의 결합과 응집체 간의 결합에서 생성되는 세공 내에 기체 분자와 응집체 간의 흡착을 이용한 것이다. 실험은 다음 3단계로 이루어졌다. 먼저 탄소 나노응집체 제조로, 과연료 상태의 아세틸렌과 공기의 예혼합화염 제조를 통해 기본 입자의 크기 30.4 nm이고, 표면적이 $81.6 m^2/g$ 인 응집체를 발생시켰다. 첫번째 실험 변수로 당량비를 변화시켰을 경우, 기본 입자 크기의 변화는 크게 나타나지 않았다. 그러나 두번째 실험 변수인 전기장의 변화에서, 전기장의 세기를 증가시킴에 따라 전기적 척력이 작용하여 기본 입자의 성장이 억제되어 그 크기가 20.7nm로 감소하였고, 이로 인해 응집체의 표면적은 $98.4 m^2/g$ 로 증가하였다. 표면적의 증가는 곧 흡착량의 증가를 의미한다. 또한 전극의 높이를 변화시킴 따라 기본 입자의 크기 및 응집체의 표면적이 변화했다. 본 연구에서 사용한 실험 장치의 경우, 전극의 높이 1cm일 때가 기본 입자 성장 단계로 전기적 척력 효과가 상대적으로 크게 작용하여 기본 입자의 크기가 20 nm로 가장 작았고, 표면적은 $189.1 m^2/g$ 로 가장 크게 측정되었다. 실험 2단계는 실용적인 측면에 초점을 맞춘 응집체 층의 압착 및 가열 과정이었다. 앞서 얻어진 응집체 층을 압착하여 부피를 줄인 뒤, 이를 가열하여 구조적으로 단단하게 만들었다. 또한 이렇게 얻어진 응집체 층의 표면적이 다소 증가하였음을 확인하였다. 이는 응집체 내 탄화수소계 물질 또는 기체 등의 불순물들이 가열을 통해 제거되어 유효흡착면적이 증가하였고, 또한 불순물이 제거되면서 세공 구조를 흡착에 유리한 방향으로 바꾸었기 때문이라 해석된다. 실험 3단계는 탄소 나노응집체 층의 수소저장 측정실험으로, 탄소 나노응집체 층이 수소를 저장할 수 있음(0.5 wt%)을 확인하였다. 전기장을 가했던 응집체 층은 그렇지 않았을 경우보다 수소저장량이 증가하였다. 또한 압착 및 가열 과정을 거친 응집체 층은 그렇지 않았을 경우보다 수소저장과정이 안정화되었다. 결과들을 통해, 기체흡착 및 수소저장매체로서, 본 연구에서 제조한 탄소 응집체 층의 사용 가능성을 보았다. 특히 이 방법은 탄소를 사용하여 가벼우며 기체에 친화적인 점과 세공 크기의 제어가 가능하며, 휴대성과 조작의 용이성, 제조 과정이 간단하고 경제적이라는 장점을 가지고 있다. 앞으로 다양한 실험변수를 통해 최적의 세공 제어를 할 필요가 있고, 수소 뿐만 아니라 유독 가스 및 중금속 등의 흡착 실험을 통해 다양한 응용 분야를 찾을 수 있을 것이다.