연구원들은 에너지 비용을 절감하면서 이산화탄소를 포집할 수 있는 지속 가능한 젤 필름을 개발했습니다.

2023년 8월 17일 대화상자

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궈유홍 박사

2022년 전 세계 CO2 배출량은 36.1기가톤에 이르렀고, 이는 온난화를 1.5°C로 제한하기 위해 남은 탄소 예산의 13~36%를 소비했습니다. 이는 허용 가능한 배출량이 2년 내에 고갈될 수 있음을 의미합니다.

직접 공기 포집(DAC) 기술은 어떤 위치에서든 대기로부터 직접 CO2를 추출하지만, 그 실용성은 더 높은 에너지 수요와 전체 비용으로 인해 제한됩니다. 특히, 대부분의 고체 흡착제 기반 시스템은 습한 조건에서 제대로 기능하지 못하고 재생 온도가 높거나 진공 조건이 필요합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 우리는 높은 흡수율과 매우 낮은 재생 에너지를 갖춘 CO2 포집을 위한 단계적 변화 물질로서 지속 가능한 탄소 포집 하이드로겔(SCCH)을 개발했습니다(그림 1). 이 연구는 Nano Letters 저널에 게재되었습니다.

불활성 물이 에너지 집약적인 열 재생을 유도하는 다른 흡착제 재료와 달리, 하이드로겔의 물은 증발 엔탈피가 감소하여 재생 에너지 감소에 기여할 수 있습니다. SCCH는 저가형 바이오매스 곤약검, 열 반응성 셀룰로오스, 균일하게 분산된 폴리에틸렌이민(PEI)으로 구성됩니다. 이 SCCH의 또 다른 장점은 독특한 계층 구조입니다. 마이크로 및 나노 크기의 기공을 통해 CO2 수송이 가능하고 활성 아민 부위에 쉽게 접근할 수 있습니다.

미리 포집된 수증기는 PEI와의 CO2 결합을 강화하여 습한 조건에서 훨씬 더 높은 포집 용량을 제공합니다(그림 2, 왼쪽). 또한 포집된 CO2는 온도가 ~60°C에 도달하는 한 진공 없이 약한 전기 가열이나 태양광 조사를 통해 달성할 수 있는 낮은 에너지 공급(그림 2, 오른쪽)에서 방출됩니다. 이는 친수성 하이드로겔에서 물의 증발 엔탈피 감소와 셀룰로오스의 열 반응성에 의해 지원됩니다.

우리는 또한 준비가 쉽다는 SCCH의 또 다른 장점을 강조합니다. 겔은 시중에서 판매되는 재료를 이용하여 제조한 후 물에 녹인 후 틀에 부은 후 동결건조 과정을 거쳐 제조할 수 있다. 이는 주변 공기에서 확장 가능하고 내구성이 뛰어나 실용적인 적용에 도움이 됩니다. 이렇게 낮은 재생 온도로 인해 당사의 새로운 하이드로겔은 보다 지속 가능한 공기 품질 관리 및 DAC 기술을 위한 판도를 바꾸는 재료 플랫폼이 될 수 있습니다.

이 이야기는 연구자들이 출판된 연구 논문의 결과를 보고할 수 있는 Science X Dialog의 일부입니다. ScienceX Dialog에 대한 정보와 참여 방법을 알아보려면 이 페이지를 방문하세요.

추가 정보: Youhong Guo 외, 지속 가능한 이산화탄소 포집을 위한 확장 가능한 바이오매스 유래 하이드로겔, Nano Letters(2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02157

저널 정보:나노문자

Youhong Guo는 MIT 화학공학과의 Postdoc으로 T. Alan Hatton 교수와 함께 일하고 있습니다. 그녀의 연구 관심 분야는 에너지 및 환경 지속 가능성 분야에 응용할 수 있는 고분자 재료를 개발하는 것입니다.