바이오 연료를 위한 기름/알코올 분리! 불소가 해결

 

 

- 상온에서 쉽게 만드는 초발수성 탄소나노입자 기반 스펀지 구조체 개발

- 불소 도핑으로 물, 알코올 등 특정 액체에서 기름만 분리, 바이오 연료 개발

   활용

  

 젖지 않는 옷, 물속에서 작동하는 스마트폰, 스스로 청소하는 창문 등 물을 싫어하거나 밀어내는 성질인 발수 특성은 현대 생활 속에서 광범위하게 활용되고 있다. 이러한 물질은 물은 밀어내지만 기름은 빨아들여 물에서 기름을 흡착하는 용도로 쓰인다. 그러나 기름과 알코올은 분리하지 못해 추가적 용도로 사용에는 한계가 있었다.

 

이와 같은 초발수성 물질은 제작 공정이 복잡하고, 기능유지가 쉽지 않았다. 표면에 복잡한 고온 공정을 통해 구조를 형성하고 그 위에 테프론(Teflon)이나 왁스(wax)와 같은 물질을 코팅하는 2단계 공정을 거쳐야만 초발수성 물질을 얻을 수 있고, 이렇게 제조된 물질은 시간이 지나면 초발수성이 약해지거나, 해수 담수화 필터, 기름 흡착포와 같이 구조체 내부로 유체를 흡수시켜야 하는 3차원 구조체로의 적용은 어려웠다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘상온 상태에서 쉽게 만들 수 있으면서도, 기존 제품보다 더 강한 초발수성을 가진 탄소 입자 스펀지 구조체를 만들고, 이 구조체에 불소를 도핑하여 물이나 알코올 등 특정성분을 기름에서 분리하는 기능을 추가로 개발’했다고 밝혔다.

 

문박사팀은 초발수성을 가지면서, 기공의 크기와 표면 에너지의 제어가 가능한 3차원 탄소 구조체를 상온에서 플라즈마 증착 방법*을 이용하여 탄소 나노입자를 차곡차곡 쌓는 형식으로 구현하였다. 이 구조체는 물을 강하게 밀어내는 성질을 가진 탄소 나노입자가 3차원 구조체를 이루고 있어서 표면 뿐만 아니라 구조체 내부까지 초발수성 특성을 가지게 된다. (그림 1 참조)

 

한편 본 구조체는 물에 비해서 표면에너지가 낮은 기름 등은 쉽게 흡수하는 특성을 동시에 가지기 때문에 물에서 기름을 흡수하여 분리하는데 효과적이라는 장점을 가지고 있다. 이렇게 형성된 탄소나노입자 구조체를 모아서 스펀지를 만들었을 때, 다양한 물-기름 혼합액에서 구조체 무게 대비 500% 이상의 기름을 분리할 수 있음을 밝혀냈다.

 

문박사는 이 외에도 이러한 구조체를 형성하는 과정에서 불소 성분이 있는 탄화불소(CF4)를 표면 및 내부에 도핑하여, 물과 기름의 분리 뿐만 아니라, 에틸렌 글리콜과 같은 알코올을 실리콘 오일(기름)로부터 쉽게 분리할 수 있음을 알아내었다. 이러한 특성은 최근 중요한 에너지 자원으로 알려진 바이오 디젤을 만드는 과정에서 기름과 알코올을 분리하는 필수 공정에 적용할 수 있다.(그림 2 참고) 저온 공정으로 개발된 본 기술은 대량생산이 용이하며, 종이, 플라스틱, 금속 표면 등에 직접 코팅하여 에너지와 환경분야에 다양하게 응용될 수 있다.

 

본 연구성과는 온라인으로 발행하는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 8월 29일자 논문으로 게재되었다.

 

 

○ 추가설명

* 플라즈마 증착 방식 : 탄소가 포함된 가스에다 전기를 통하게 되면 전자를 하나 잃어, 활성도가 높아져 반응성이 높아진다. 이 중 +를 가진 탄소이온을 사용하여 탄소를 증착하는 방식

 

** 본 기술의 응용분야로 오염된 바다나 강에서 기름을 제거하는 기름띠 흡착포, 녹조 필터, 오염수 정화 필터 소재 및 바닷물 담수화용 필터 등에 사용할 수 있을 것으로 보인다. 이 외에도 다공성 탄소 나노입자의 기공의 크기 및 기능성 물질의 도핑을 통하여 에너지 분야의 이차 전지, 카페시터, 연료전지 등의 전극으로 활용 가능하며, 환경 분야에서 특성 물질을 탐지할 수 있는 촉매 및 촉매 지지체, CO나 암모니아 등의 유해가스의 포집 및 변환에 응용 될수 있는 등 그 관련 분야가 매우 다양하다.

 

 

○ 연구진

     <문명운 박사>

 

 

 

○ 그림 설명

 

<그림1> 다공성 탄소나노입자 구조체를 형성후 한데 모은 후 찍은 이미지-병의 지름은 2cm (a), 눌러서 팬케이크 형태의 스폰지로 만든후 찍은 이미지 (b), 물(투명)과 실리콘 오일(파랑) 혼합용액에 담궈서 실리콘 오일만 선택적으로 흡수하는 과정을 찍은 이미지(c)

 다공성 탄소나노입자 구조체는 증착 속도가 같은 조건의 2차원 박막 성장 대비 400배 이상 빠르기 때문에, 증착후 한데 모아서 특정한 모양으로 만들어서 혼합용액중에 기름이나 가스와 같은 특정 성분을 선택적으로 흡수할 수 있는 기능성 나노구조체 스폰지로 활용할 수 있음

 

 

 

 

 

<그림2> 불소 함유 다공성 탄소나노입자 구조체 적용 거름종이

일반 거름종이의 경우 물이나 기름 등을 모두 흡수하는 성질을 가지는데 반해, 본 기술이 적용된 거름종이의 경우 물/실리콘 오일 혼합용액에서는 물(빨간색)을 남기고 실리콘 오일을 흡수하고, 알코올(에틸렌글리콜)/실리콘 오일 혼합용액에서는 에틸렌글리콜(옅은 파랑) 성분을 남기고 실리콘 오일을 흡수함.

 

 

 

 

<그림3> 다공성 탄소나노입자 구조체 형성 모식도

저진공, 고압 조건의 플라즈마 내에서 탄소나노입자가 스스로 뭉치기 시작하여 원하는 물질 표면에 탄소나노입자가 구조화되어 네트웍을 형성함. 기존 구조보다 기공이 많아 내부에서도 초발수성을 가진 물질을 만들 수 있으며, 불소 도핑도 가능하다.