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바이오매스 기반 CO₂ 흡착제 개발

Tailoring highly surface and microporous activated carbons (ACs) from biomass via KOH, K₂C₂O₄ and KOH/K2C2O4 activation for efficient CO₂ capture and CO2/N2 selectivity: characterization, experimental and molecular simulation insights

Bartosz Dziejarski, Jarosław Serafin, Diego Felipe Hernández-Barreto 외 5인·Chemical Engineering Journal·발표 2025.10· 34 인용
최근 1년 34회 인용· 떠오르는 연구

한국어 핵심 요약

목재 폐기물 처리의 환경 문제와 기존 화학 활성화의 한계를 극복하기 위해, 본 연구는 리그노셀룰로스 바이오매스를 효율적인 CO₂ 흡착제로 전환하는 지속 가능한 전략을 제시합니다. 소나무를 KOH, K₂C₂O₄ 및 이들의 혼합물(1:1~1:4 질량비)로 800°C에서 활성화하여 다공성과 표면 화학을 최적화했습니다. 바이오매스:KOH:K₂C₂O₄의 1:2:2 혼합 활성화 조건에서 BET 표면적 2029 m²/g, 총 기공 부피 1.028 cm³/g, 미세 기공 부피 0.923 cm³/g (N₂ 기준) 및 0.156 cm³/g (CO₂ 기준)의 최적 물성을 얻었습니다. KOH 단독 활성화 탄소(1:1)는 0°C에서 9.65 mmol/g, 25°C에서 5.95 mmol/g의 최고 CO₂ 흡착량을 보였는데, 이는 초미세 기공 발달에 기인합니다. 반면, K₂C₂O₄ 유도 샘플(1:4)은 낮은 흡착량(0°C에서 8.79 mmol/g)에도 불구하고 좁은 기공과 높은 표면 극성 덕분에 우수한 CO₂/N₂ 선택성(5% CO₂, 1 bar에서 >21)을 나타냈습니다. XRD, FTIR, XPS 등 분석을 통해 난층 탄소 구조, 풍부한 산소 작용기, 스펀지 형태가 확인되었습니다. 등열 흡착열은 26–36 kJ/mol로 강한 물리 흡착을 시사했습니다. Grand Canonical Monte Carlo 시뮬레이션은 서브 나노미터 기공과 카르보닐이 풍부한 표면이 CO₂ 친화도를 높임을 입증하여 실험 결과를 뒷받침했습니다. 본 연구는 K 기반 활성화 전략을 포괄적으로 비교하며, 혼합 활성화가 CO₂ 포집용 고성능 다공성 탄소를 위한 확장 가능하고 덜 가혹한 경로임을 보여줍니다.

섹션 미리보기

연구 배경

목재 폐기물의 환경적 영향과 기존 화학 활성화 방법의 한계는 지속 가능한 CO₂ 흡착제 개발의 필요성을 제기합니다. 본 연구는 리그노셀룰로스 바이오매스를 활용하여 효율적인 CO₂ 흡착제를 개발하는 데 초점을 맞췄습니다.

핵심 발견

KOH 단독 활성화는 높은 CO₂ 흡착량을, K₂C₂O₄ 활성화는 우수한 CO₂/N₂ 선택성을 보였습니다. 혼합 활성화(1:2:2)는 균형 잡힌 다공성과 높은 CO₂ 흡착량을 제공하며, CO₂ 포집용 고성능 다공성 탄소 제조의 효과적인 방안임을 확인했습니다.

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