유기실리카 템플릿을 이용하여 합성된 균일한 직경을 가지는 탄소나노튜브의 수소저장 특성에 관한 연구

Abstract

탄소는 가볍고 수소와 강한 친화력을 가지는 원소로서 수소 저장 분야에서 많은 관심을 받아왔다. 탄소계 물질을 이용해 수소를 저장하는 기술은 대표적으로 2가지 방식으로 나뉜다. 수소와 탄소의 화학적 결합을 이용하는 화학적 흡착은 매우 강한 결합 에너지를 가지고 있어서 500K의 높은 온도에서 수소가 방출된다. 반면, 표면의 탄소와 약한 결합 에너지(Van der Waals)를 가지는 물리적 흡착은 화학적 흡착보다 결합 에너지가 낮아서 극저온에서 수소가 방출된다. 따라서 수소를 상온 근방에서 저장하기 위해서는 화학적 결합 에너지와 물리적 결합 에너지의 중간에 해당하는 저장소에 수소를 저장해야 한다. 여러 이론적 계산을 통해 수소를 포함한 불활성 기체는 평평한 흑연면보다는 굽어있는 탄소나노튜브의 내부 저장소에 더 높은 흡착에너지를 가지고 저장될 수 있다고 보고되었다. 또한, 이론적 연구를 통해 튜브의 끝이 개방된 나노튜브는 수소와의 흡착 에너지와 저장 용량을 향상시킬 것이라고 기대되었다. 그 후, 많은 과학자들은 수소가 상온에서 저장될 것이라고 기대했지만, 끝이 개방된 나노튜브의 흡착 에너지는 너무 낮아서 수소가 상온 근방에서 탄소나노튜브의 내부에 저장될 수 없다는 실험 결과와 이론적 결과들이 보고되었다. 본 연구에서는 끝이 닫힌 탄소나노튜브의 결함소를 이용해 상온 근방에서 수소를 성공적으로 저장하였다. 탄소나노튜브의 내부 저장소를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 벽의 수를 줄이는 것이 유리하다. 탄소나노튜브의 벽의 수는 직경과 밀접한 관련을 가지기 때문에 본 연구에서는 탄소나노튜브의 직경을 작고 균일하게 제어하기 위해 템플릿을 도입하였다. 템플릿의 기공 크기는 약 4nm이므로 기공에서 성장한 탄소나노튜브의 직경은 템플릿의 기공 크기와 비슷해진다. 일반적으로 기공에서 성장한 탄소나노튜브는 끝이 개방된 구조를 가진다고 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 질소가 포함된 탄소나노튜브를 이용하였다. 끝이 닫힌 구조의 역할을 해주는 Bamboo 구조를 이용하여 상온 근방에서 탄소나노튜브의 결함소를 통해 내부 저장소에 수소를 저장하였다. 5wt% Iron(II) Acetate를 첨가한 템플릿의 기공에서 약 3.4nm 균일한 직경의 질소가 첨가된 탄소나노튜브를 성장시켰다. 성장된 나노튜브의 벽의 수는 3개 혹은 5개 정도로 내부 저장소를 이용하기에 적합했다. 실제로 257K에서 제어된 탄소나노튜브의 내부 저장소로부터 수소가 방출되었다. 이러한 결과는 양자 시뮬레이션을 통해서도 확인되었다. 그러나 저장된 수소는 DOE의 기준인 6.5wt%에 턱없이 모자란 매우 적은 양이었다. 그러나 양자 시뮬레이션에 의해 탄소나노튜브의 직경이 커질수록 수소의 저장량도 증가하는 것으로 확인되었다. 그러므로 고밀도의 수소를 저장하기 위해서는 탄소나노튜브의 벽의 수를 적게 유지하되, 나노튜브의 직경을 크게 제조할 필요가 있다. 결론적으로 탄소나노튜브의 직경은 템플릿의 기공의 크기를 이용해 정확히 조절할 수 있으며 추후에는 이렇게 제어된 나노튜브를 이용해 상온 근방에서 고밀도의 수소를 저장할 것으로 기대된다.