KR101921067B1 - Carbon dioxide adsorbent containing graphene nanoribbon with dispersed metal and regenerating method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속이 분산된 그래핀 나노리본을 포함하는 이산화탄소 흡착제 및 이의 재생방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제는 금속이 분산된 그래핀 나노리본 구조를 가짐으로써, 대기 환경에서도 선택적으로 이산화탄소 흡착이 가능하고, 탈착이 용이하며, 우수한 흡착 용량을 구현할 수 있다. The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent comprising a metal-dispersed graphene nanoribbon and a regeneration method thereof. The carbon dioxide adsorbent according to the present invention has a graphene nanoribbon structure in which a metal is dispersed, Adsorption is possible, detachment is easy, and an excellent adsorption capacity can be realized.
Description
본 발명은 금속이 분산된 그래핀 나노리본을 포함하는 이산화탄소 흡착제 및 이의 재생방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent comprising a metal-dispersed graphene nanoribbons and a regeneration method thereof.
이산화탄소(CO2) 가스는 온실가스(greenhouse gas)로 전세계적 기온상승의 주요 원인이며, 여러 이상기후를 발생시킨다. 최근 지구의 기온은 CO2 방출로 인해 상당히 상승했으며, 상기 CO2 방출의 대부분은 화석 발전소에서 발생한다. 따라서, 방출 가스에서 CO2를 흡착하기 위한 기술 개발이 상당수 이루어졌으며, 이러한 기술은 기후 변화를 줄이기 위해 필수적이다. Carbon dioxide (CO 2 ) gas is a greenhouse gas that is a major cause of global temperature rise and causes many abnormal weather conditions. Recently earth temperature has increased considerably due to CO 2 emissions, and most of the CO 2 emissions generated from fossil power plants. Thus, a number of techniques have been developed for adsorbing CO 2 in the off-gas, and this technique is essential to reduce climate change.
보편적으로, CO2를 흡착하기 위해서, 암모니아수를 사용하는 방법을 사용하였으나, 이러한 방법은 재생이 어렵고 아민 용액의 부식 문제 및 독성 문제를 동반했다.In general, ammonia water was used to adsorb CO 2 , but this method was difficult to regenerate and accompanied corrosion problems and toxicity problems of amine solutions.
이후, 그래핀, 제올라이트 및 금속-유기 복합 물질과 같이, 나노구조 또는 다공성 물질이 CO2 흡착제로서 주목 받았다. 그 이유는, 상기 물질들은 넓은 표면적으로 인한 우수한 CO2 흡착 용량을 구현할 수 있고, 상기 물질들의 표면에 CO2가 물리적으로 흡착하기 때문에 흡착제로서 재생력이 뛰어났기 때문이다. 그러나, 상기 물질들을 사용할 경우, 배출 가스에서 CO2를 선택적으로 흡착하는데 어려움이 있었고, 대기 조건에서의 흡착 용량이 기대에 못 미치는 문제점이 있었다.Then, the graphene, zeolites and metal-organic compounds, such as, a nano-structure or a porous substance was noted as CO 2 adsorbent. This is because these materials can realize excellent CO 2 adsorption capacity due to a large surface area and have excellent regenerating ability as an adsorbent because CO 2 is physically adsorbed on the surface of the materials. However, when these materials are used, there is a difficulty in selectively adsorbing CO 2 in the exhaust gas, and there is a problem that the adsorption capacity in an atmospheric condition is inferior to the expectation.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 Sc 또는 V와 같은 전이 금속을 포함하는 그래핀이 개발되었으며, 이는, 상온에서 낮은 압력 조건에서도 CO2를 선택적으로 흡착할 수 있었다. 그러나, 전이 금속은 CO2 흡착제로 사용하기에 가격이 비싸고, 전이 금속은 응집 에너지가 크기 때문에 나노 구조에서 응집되는 문제점이 있었다. 따라서, 상기 Sc 또는 V와 같은 전이 금속을 대체할만한 물질을 찾을 필요성이 있다.In order to solve these problems, recently, graphene containing a transition metal such as Sc or V has been developed, and CO 2 could be selectively adsorbed even at a low pressure at room temperature. However, the transition metal is expensive to use as a CO 2 adsorbent, and the transition metal has a problem of agglomeration in the nanostructure because of its large aggregation energy. Therefore, there is a need to find a substitute for a transition metal such as Sc or V.
본 발명은 금속이 분산된 그래핀 나노리본을 포함하는 이산화탄소 흡착제 및 이의 재생방법에 관한 것으로, 대기 환경에서도 선택적으로 이산화탄소 흡착이 가능하고, 탈착이 용이하며, 우수한 흡착 용량을 갖는 흡수제를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent including a graphene nanoribbon in which a metal is dispersed and a regeneration method thereof, and to provide an adsorbent having selective adsorption of carbon dioxide in an atmospheric environment, easy desorption, and excellent adsorption capacity The purpose.
본 발명은 금속이 분산된 그래핀 나노리본을 포함하는 이산화탄소 흡착제 및 이의 재생방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent comprising a metal-dispersed graphene nanoribbons and a regeneration method thereof.
상기 이산화탄소 흡착제의 하나의 예로서,As one example of the carbon dioxide adsorbent,
그래핀 나노리본; 및Graphene nano ribbon; And
상기 그래핀 나노리본의 가장자리 영역에 분산된 금속을 포함하는 이산화탄소 흡착제로서,A carbon dioxide adsorbent comprising a metal dispersed in an edge region of the graphene nanoribbons,
상기 금속 간의 거리는 평균 5 내지 25 Å이고,The distance between the metals is on the order of 5 to 25 angstroms,
금속 간의 결합 에너지는 1.2 내지 1.8 eV인 이산화탄소 흡착제를 제공할 수 있다.The bonding energy between the metals can be 1.2 to 1.8 eV.
또한, 상기 이산화탄소 흡착제의 재생방법의 하나의 예로서,As an example of the regeneration method of the carbon dioxide adsorbent,
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제를 이용하여 이산화탄소를 흡착하는 단계; 및Adsorbing carbon dioxide using the carbon dioxide adsorbent according to the present invention; And
이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제를 가열하여 이산화탄소를 탈착하는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제의 재생방법을 제공할 수 있다.And recovering the carbon dioxide adsorbent by heating the carbon dioxide adsorbent adsorbed by the carbon dioxide to desorb the carbon dioxide.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제는 금속이 분산된 그래핀 나노리본 구조를 가짐으로써, 대기 환경에서도 선택적으로 이산화탄소 흡착이 가능하고, 탈착이 용이하며, 우수한 흡착 용량을 구현할 수 있다. Since the carbon dioxide adsorbent according to the present invention has a graphene nanoribbon structure in which metal is dispersed, carbon dioxide can be selectively adsorbed in the atmospheric environment, desorption is easy, and excellent adsorption capacity can be realized.
도 1은 일 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제의 모식도 및 금속 간 거리, 금속 간의 결합에너지를 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제에 이산화탄소가 흡착된 형태를 나타낸 모식도 및 이에 따른 물성 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착 선택성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제의 조건 변화에 따른 이산화탄소 흡착 용량 변화를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic diagram of a carbon dioxide adsorbent manufactured in an embodiment, and an intermetallic distance and a bonding energy between metals.
FIG. 2 is a schematic view showing a form in which carbon dioxide is adsorbed on the carbon dioxide adsorbent prepared in one embodiment, and the result of measurement of physical properties according to the carbon dioxide adsorbent.
FIG. 3 shows the carbon dioxide adsorption selectivity test results of the carbon dioxide adsorbent prepared in one embodiment.
4 is a graph showing changes in carbon dioxide adsorption capacity according to changes in conditions of the carbon dioxide adsorbent produced in one embodiment.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
In the present invention, the terms " comprising " or " having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
기존의 온실가스(greenhouse gas)로 전세계적 기온상승의 주요 원인이며, 여러 이상기후를 발생시키는 CO2를 흡착하기 위한 이산화탄소 흡착제로서, 암모니아수; 나노구조 또는 다공성 물질; 및 전이 금속을 포함하는 그래핀 등이 사용되었다.It is a carbon dioxide adsorbent that absorbs CO 2 , which is a major cause of global temperature rise due to the existing greenhouse gas. Nanostructured or porous materials; And graphene including a transition metal.
그러나, 암모니아수를 사용하는 방법은 재생이 어렵고 아민 용액의 부식 문제 및 독성 문제를 동반했다.However, the method of using ammonia water is difficult to regenerate, and is accompanied by problems of corrosion and toxicity of the amine solution.
또한, 나노구조 또는 다공성 물질을 사용하는 경우에는, 배출 가스에서 CO2를 선택적으로 흡착하는데 어려움이 있었고, 대기 조건에서의 흡착 용량이 기대에 못 미치는 문제점이 있었다.Further, in the case of using a nanostructure or a porous material, it is difficult to selectively adsorb CO 2 in the exhaust gas, and the adsorption capacity in the atmospheric condition is inferior to the expectation.
또한, 전이 금속을 포함하는 그래핀을 사용하는 경우에는, 가격이 비싸고, 전이 금속은 응집 에너지가 크기 때문에 나노 구조에서 응집되는 문제점이 있었다. In addition, when graphene containing a transition metal is used, there is a problem that the cost is high and the transition metal aggregates in the nanostructure due to the large aggregation energy.
이에 본 발명에서는, 그래핀 나노리본에 금속을 분산시킴으로써, 상온 및 낮은 압력 조건에서도 CO2를 선택적으로 흡착할 수 있고, 흡착 용량이 우수하고, 탈착이 용이하여 재생력이 우수하며, 가격 측면에서도 경쟁력이 우수한 이산화탄소 흡착제를 제공하고자 한다.Accordingly, by dispersing the metal in the graphene nanoribbons, CO 2 can be selectively adsorbed even at room temperature and low pressure, excellent adsorption capacity, easy desorption and excellent regeneration power, Thereby providing an excellent carbon dioxide adsorbent.
예를 들어, 상기 본 발명은,For example,
그래핀 나노리본; 및Graphene nano ribbon; And
상기 그래핀 나노리본의 가장자리 영역에 분산된 금속을 포함하는 이산화탄소 흡착제로서,A carbon dioxide adsorbent comprising a metal dispersed in an edge region of the graphene nanoribbons,
상기 금속 간의 거리는 평균 5 내지 25 Å이고,The distance between the metals is on the order of 5 to 25 angstroms,
금속 간의 결합 에너지는 1.2 내지 1.8 eV인 이산화탄소 흡착제를 제공할 수 있다.The bonding energy between the metals can be 1.2 to 1.8 eV.
상기 그래핀 나노리본은, 비교적 좁은 너비를 가진 지그재그(zigzag) 구조일 수 있다. 그래핀 나노리본은 넓은 표면적을 가짐으로써, 우수한 CO2 흡착 용량을 구현할 수 있다. The graphene nanoribbons may be of a zigzag structure with a relatively narrow width. The graphene nanoribbons have a large surface area, and can achieve excellent CO 2 adsorption capacity.
기존의 구조가 불안정한 그래핀 나노리본에 금속 이온을 분산시킬 경우, 금속 간의 뭉침이 발생하여 클러스터를 형성하는 문제점이 발생할 수 있었다. 그러나, 상기 본 발명에 따른 그래핀 나노리본은 지그재그 구조를 가짐으로써, 지그재그 구조의 가장자리 영역에 금속의 분산을 유도하여, 금속의 분산도를 높일 수 있다.When metal ions are dispersed in an unstable graphene nanoribbons, clustering occurs between the metals and clusters are formed. However, since the graphene nanoribbon according to the present invention has a zigzag structure, it is possible to induce dispersion of metal in the edge region of the zigzag structure to increase the degree of dispersion of the metal.
상기 그래핀 나노리본의 가장자리 영역은, 그래핀 나노리본의 폭을 기준으로 가장자리로부터 외측 폭의 1/4 범위에 해당되는 영역을 의미할 수 있다.The edge region of the graphene nanoribbons may refer to a region corresponding to a quarter of the outer width from the edge with respect to the width of the graphene nanoribbons.
이와 같이, 그래핀 나노리본의 가장자리 영역에 금속이 분산되는 것은, 지그재그 구조의 그래핀 나노리본을 사용함으로써 구현할 수 있다.As described above, the metal is dispersed in the edge region of the graphene nanoribbons by using a graphene nanoribbons having a zigzag structure.
상기 그래핀 나노리본의 폭은 평균 10 내지 100 Å 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 나노리본의 폭은 평균 10 내지 70 Å, 10 내지 50 Å 또는 10 내지 30 Å 범위일 수 있다.The width of the graphene nanoribbons may range from 10 to 100 angstroms on average. For example, the width of the graphene nanoribbons may range from 10 to 70 angstroms, 10 to 50 angstroms, or 10 to 30 angstroms on average.
상기 금속의 응집 에너지는 2 eV 이하일 수 있다. 예를 들어, 금속의 응집 에너지는 1.8 eV 이하 또는 0.1 내지 1.8 eV 범위일 수 있다.The cohesive energy of the metal may be 2 eV or less. For example, the cohesive energy of the metal may be less than or equal to 1.8 eV.
기존에는 응집 에너지가 큰 전이 금속을 그래핀에 분산시켜 이산화탄소 흡착제로 사용하였으나, 이때, 상기 전이 금속의 응집 에너지가 약 4 eV로 큰 문제가 있었다. 이로 인해, 기존의 이산화탄소 흡착제는 그래핀 내에 전이 금속의 분산도가 떨어져, 클러스터 현상이 발생하여 이산화탄소의 흡착 효율을 저하시켰다.Conventionally, a transition metal having a large cohesive energy is dispersed in graphene to be used as a carbon dioxide adsorbent. However, at this time, the cohesive energy of the transition metal is as large as about 4 eV. As a result, the dispersibility of the transition metal in the graphene of the conventional carbon dioxide adsorbent was reduced, and the clustering phenomenon occurred, thereby lowering the adsorption efficiency of carbon dioxide.
이와 비교하여, 본원에 따른 이산화탄소 흡착제는 응집 에너지가 2 eV 이하의 금속을 그래핀 나노리본에 분산시킴으로써, 기존의 클러스터 현상으로 인한 이산화탄소 흡착 효율 저하를 방지할 수 있다.In comparison with this, the carbon dioxide adsorbent according to the present invention can prevent a decrease in carbon dioxide adsorption efficiency due to the existing cluster phenomenon by dispersing a metal having a cohesive energy of 2 eV or less in the graphene nanoribbons.
그래핀 나노리본 내의 금속의 우수한 분산도는, 금속 간의 평균 거리 및 금속 간의 결합 에너지를 통해 확인할 수 있다.The excellent dispersion of the metal in the graphene nanoribbons can be confirmed by the average distance between the metals and the binding energy between the metals.
상기 금속 간의 거리는 평균 5 내지 25 Å 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 간의 거리는 평균 5 내지 22 Å 또는 8 내지 22 Å 범위일 수 있다.The distance between the metals may range from an average of 5 to 25 angstroms. For example, the distance between the metals may range from an average of 5 to 22 angstroms or 8 to 22 angstroms.
또한, 금속 간의 결합 에너지는 1.2 내지 1.8 eV 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 간의 결합 에너지는 1.3 내지 1.8 eV 또는 1.3 내지 1.7 eV 범위일 수 있다.Also, the bonding energy between the metals may range from 1.2 to 1.8 eV. For example, the binding energy between the metals may range from 1.3 to 1.8 eV or from 1.3 to 1.7 eV.
상기 금속 간의 평균 거리 및 금속 간의 결합 에너지를 만족함으로써, 금속 간에 클러스터 현상이 없이, 분산도가 우수하다는 것을 알 수 있다.It can be seen that there is no cluster phenomenon between the metals and the dispersion is excellent by satisfying the average distance between the metals and the binding energy between the metals.
상기 금속은 Li, Na, K, Mg, Ca 및 Ba 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 Ca일 수 있다. Ca는 1.8 eV 이하의 응집 에너지를 가지며, 페르미 준위 근처에 빈 3d 오비탈을 가져, 칼슘 이온과 이산화탄소 분자 사이에 듀어 상호작용(Dewar interaction)을 발생시킬 수 있다.The metal may include at least one of Li, Na, K, Mg, Ca, and Ba. For example, the metal may be Ca. Ca has a cohesive energy of 1.8 eV or less and can have a vacant 3d orbit near the Fermi level, resulting in a Dewar interaction between the calcium ion and the carbon dioxide molecule.
이때, 상기 Ca와 그래핀 나노리본의 C의 결합 에너지는 약 2 eV로, 이는, Ca 간의 응집 에너지인 1.8 eV보다 크기 때문에 Ca 간의 응집으로 인한 클러스터 현상을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다.At this time, the binding energy of Ca and C of the graphene nanoribbons is about 2 eV, which is larger than 1.8 eV, which is the cohesive energy between Ca, so that clustering due to agglomeration of Ca can be prevented.
상기 그래핀 나노리본에 분산된 금속이 Ca일 경우, 상기 Ca 하나 당 3 개의 CO2 분자가 결합될 수 있다. 또한, CO2, H2, N2 및 CH4 등의 분자를 포함하고 있는 대기 중에서 CO2에 대한 선택도가 우수할 수 있다.When the metal dispersed in the graphene nanoribbons is Ca, three CO 2 molecules per Ca may be bonded. In addition, CO 2 , H 2 , N 2 and CH 4 The selectivity to CO 2 in the atmosphere containing molecules such as < RTI ID = 0.0 >
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착 용량은 3 mmol/g 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착 용량은 3 내지 15 mmol/g, 3 내지 12 mmol/g, 3 내지 10 mmol/g, 3 내지 7 mmol/g 또는 3 내지 5.5 mmol/g 범위일 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제는 우수한 효율로 대기 중의 이산화탄소를 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.
The carbon dioxide adsorption capacity of the carbon dioxide adsorbent according to the present invention may be 3 mmol / g or more. For example, the carbon dioxide adsorption capacity of the carbon dioxide adsorbent may range from 3 to 15 mmol / g, 3 to 12 mmol / g, 3 to 10 mmol / g, 3 to 7 mmol / g or 3 to 5.5 mmol / g . As a result, it can be seen that the carbon dioxide adsorbent according to the present invention can remove atmospheric carbon dioxide with excellent efficiency.
본 발명은, 이산화탄소 흡착제의 재생방법의 하나의 예로서,As one example of a regeneration method of a carbon dioxide adsorbent,
본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제를 이용하여 이산화탄소를 흡착하는 단계; 및Adsorbing carbon dioxide using the carbon dioxide adsorbent according to the present invention; And
이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제를 가열하여 이산화탄소를 탈착하는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제의 재생방법을 제공할 수 있다.And recovering the carbon dioxide adsorbent by heating the carbon dioxide adsorbent adsorbed by the carbon dioxide to desorb the carbon dioxide.
이때, 상기 이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제를 가열하여 이산화탄소를 탈착하는 단계에서의 가열 온도는 350 K 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 온도는 350 내지 500 K, 350 내지 450 K 또는 350 내지 400 K 범위일 수 있다.At this time, the heating temperature in the step of heating the carbon dioxide adsorbent absorbing carbon dioxide and desorbing carbon dioxide may be 350 K or more. For example, the heating temperature may range from 350 to 500 K, from 350 to 450 K, or from 350 to 400 K.
이는, 기존의 600 K 이상의 온도에서 수행하던 이산화탄소 흡착제 재생단계와 비교하여, 현저히 낮은 온도로, 본원에 따른 이산화탄소 흡착제의 재생이 용이하다는 것을 알 수 있다.
This indicates that the carbon dioxide adsorbent according to the present invention can be easily regenerated at a remarkably low temperature as compared with the carbon dioxide adsorbent regeneration step performed at a temperature of 600 K or higher.
이하 실시예 등을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등은 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples and the like. The embodiments of the present invention are intended to be illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.
실험예Experimental Example 1: 물성 측정 1: Measurement of physical properties
(1) (One) CaCa 간의 거리에 따른 Depending on the distance between CaCa 결합 에너지 측정 Bond energy measurement
상기 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제의 모식도 및 Ca 간의 거리에 따른 Ca 결합 에너지 계산 결과를 하기 도 1에 나타내었다. 도 1의 (a)을 보면, 그래핀 나노리본의 가장자리 영역에 Ca이 분산된 것을 알 수 있다. 또한, 도 1의 (b)를 보면, 상기 Ca 간의 거리(Ca-Ca distance, L)가 8 내지 22 Å일 때, Ca 간의 결합 에너지(Ca binding energy)는 1.4 내지 1.7 eV 범위인 것을 알 수 있다.FIG. 1 is a schematic view of the carbon dioxide adsorbent prepared in the above example and calculation results of the Ca binding energy according to the distance between the Ca adsorbents. 1 (a), Ca is dispersed in the edge region of the graphene nanoribbons. 1 (b), the Ca binding energy between Ca is in the range of 1.4 to 1.7 eV when the Ca-Ca distance (L) is 8 to 22 Å. have.
(2) (2) COCO 22 가 end CaCa 에 흡착된 형태 확인 및 이에 따른 물성 측정Identification of the adsorbed form and its physical properties
CO2가 Ca에 흡착된 형태는 하기 도 2의 (a) 내지 (c)와 같이 각각 η1, η2 및 η3의 3가지 형태로 확인되었다. 또한, 상기 도 2의 (a) 내지 (c)에서 CO2의 흡착 에너지는 각각 -0.42 eV, -0.66 eV 및 -0.84 eV로 확인되었다.CO 2 is as shown in (a) to (c) is adsorbed to form a
또한, 상기 도 2의 (a) 내지 (c) 각각에 대하여, CO2 분자와 Ca 사이의 총 전하 밀도를 각각 도 2의 (d) 내지 (f)에 나타내었다. 이때, 노란색은 전하 축적(charge accumulation)을 나타내고, 파란색은 공핍(depletion)을 나타낸다.2 (a) to 2 (c), the total charge densities between CO 2 molecules and Ca are shown in FIGS. 2 (d) to 2 (f), respectively. At this time, yellow indicates charge accumulation and blue indicates depletion.
또한, 도 2의 (a) 내지 (c) 각각에 대하여, Ca의 3d 오비탈과 CO2의 π 오비탈의 혼성 오비탈 구조의 상태 밀도(density of states)를 2의 (g) 내지 (i)에 각각 나타내었다.2 (a) to 2 (c), the density of states of the mixed orbital structure of the 3d orbitals of Ca and the π orbitals of CO 2 is shown in (g) to (i) Respectively.
또한, 도 2의 (a) 내지 (c) 각각에 대하여, 자기성 기저 상태(magnetic ground state)를 확인하였다. 그 결과, 상기 CO2와 Ca의 흡착 형태가 다른 각각에 대하여, 자기 모멘트가 1.2, 2 및 2 μB로 확인되었다. 상기 자기 상태는 CO2 흡착 에너지에 약 30% 영향을 미치는 요인이며, 이에 따라 CO2 흡착 용량에도 영향을 미칠 수 있다.
2 (a) to 2 (c), a magnetic ground state was confirmed. As a result, magnetic moments of 1.2, 2 and 2 mu B were confirmed for each of the adsorption forms of CO 2 and Ca. The magnetic state is a factor that affects the CO 2 adsorption energy by about 30%, and may also affect the CO 2 adsorption capacity.
실험예Experimental Example 2: 2: COCO 22 흡착 선택성 확인 Adsorption Selectivity
하기 도 3의 (a)를 보면, 도 2의 (a)의 η1 흡착 형태로 Ca에 3개의 CO2 분자가 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있고, 도 3의 (b)를 보면, Ca에 5개의 H2 분자가 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있고, 도 3의 (c)를 보면, Ca에 1개의 CH4 분자가 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있고, 도 3의 (d)를 보면, Ca에 3개의 N2 분자가 흡착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 도 3의 (a) 내지 (d) 각각의 분자의 흡착 에너지는 -0.43 eV/CO2, -0.16 eV/H2, -0.25 eV/CH4 및 -0.5 eV/N2로 측정되었다. 3 (a), it can be confirmed that three CO 2 molecules are adsorbed on Ca in the form of adsorption of η 1 in FIG. 2 (a). In FIG. 3 (b) of H 2, and confirmed that the molecules are adsorbed, looking at (c) of Figure 3, it is found to be one CH 4 molecule to Ca is adsorbed, looking at (d) in FIG. 3, 3 to Ca It can be confirmed that N 2 molecules are adsorbed. In addition, the adsorption energies of the respective molecules of (a) to (d) were measured at -0.43 eV / CO 2 , -0.16 eV / H 2 , -0.25 eV / CH 4 and -0.5 eV / N 2 .
이때, 상기 도 3의 (a) 내지 (d) 각각의 분자에 대하여, 300 K의 온도 및 10-3 bar의 압력 조건에서의 화학 포텐셜 에너지와 각각의 분자에 대한 흡착 에너지의 차이를 측정하였다. 그 결과는 도 3의 (e)를 통해 확인할 수 있다. 도 3의 (e)를 보면, CO2의 경우 상기 화학 포텐셜과 흡착 에너지의 차가 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제는 대기 환경에서, 혼합 가스 중 CO2에 대한 선택성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the difference between the chemical potential energy at 300 K and the pressure at 10 -3 bar and the adsorption energy for each molecule was measured for each of the molecules of FIGS. 3 (a) to 3 (d). The results are shown in FIG. 3 (e). 3 (e), it can be seen that the difference between the chemical potential and the adsorption energy is the largest in the case of CO 2 . As a result, it was confirmed that the carbon dioxide adsorbent according to the present invention had excellent selectivity for CO 2 in the mixed gas in an atmospheric environment.
실험예Experimental Example 3: 조건에 따른 3: Conditional COCO 22 흡착 용량 변화 측정Measurement of adsorption capacity change
상기 실시예에서 제조된 이산화탄소 흡착제를 이용하여 조건 변화에 따른 이산화탄소 흡착 용량 변화를 측정하였다. 구체적으로, 10-3 bar의 압력 조건에서, CO2(100%), CO2(89%)-N2(11%), CO2(40%)-H2(57%)-N2(3%), CO2(20%)-H2(75%)-CH4(5%), 및 CO2(17%)-N2(83%) 각각의 성분 및 함량 조건의 가스에 대하여 따른 CO2 흡착 용량(CO2 capacity) 변화를 측정하였다.Using the carbon dioxide adsorbent prepared in the above example, the change in the adsorption capacity of carbon dioxide was measured according to the change in conditions. Specifically, in the pressure condition of 10 -3 bar, CO 2 (100 %), CO 2 (89%) - N 2 (11%), CO 2 (40%) - H 2 (57%) - N 2 ( 3%), CO 2 (20%) - H 2 (75%) - CH 4 (5%) and CO 2 (17%) - N 2 the CO 2 adsorption capacity (CO 2 capacity) changes were measured.
(1) 온도 및 가스의 성분 함량에 따른 (1) Temperature and gas content COCO 22 흡착 용량 변화 Adsorption capacity change
하기 도 4의 (a)를 보면, CO2의 함량(CO2 occupation number)이 많은 가스일수록 CO2 흡착 용량(CO2 capacity)이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 온도(T)가 350 K 이상일 때는 CO2가 탈착되어 비교적 낮은 온도에서 흡착제의 재생이 가능하다는 것을 알 수 있었다.To look at (a) of Figure 4, the more the number of gas content (CO 2 occupation number) of CO 2 was found to increase the CO 2 adsorption capacity (CO 2 capacity). In addition, when the temperature (T) is 350 K or more, CO 2 is desorbed and the adsorbent can be regenerated at a relatively low temperature.
이때, CO2 흡착 용량이 4.5 mmol/g인 경우의 모식도는 도 4의 (b)에서 확인할 수 있고, CO2 흡착 용량이 9 mmol/g인 경우의 모식도는 도 4의 (c)에서 확인할 수 있다.At this time, the schematic diagram when the CO 2 adsorption capacity is 4.5 mmol / g can be seen in FIG. 4 (b) and the schematic diagram when the CO 2 adsorption capacity is 9 mmol / g can be seen in FIG. 4 (c) have.
(2) 압력 변화에 따른 (2) Pressure changes COCO 22 흡착 용량 변화 Adsorption capacity change
하기 도 4의 (d)를 보면, 압력 변화에 따른 CO2 흡착 용량(CO2 working capacity) 변화를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다. 도 4의 (d)를 보면, 압력이 10-6 bar에서 10-2 bar까지 커질수록 CO2 흡착 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.4 (d), a graph showing the change in the CO 2 adsorption capacity (CO 2 working capacity) according to the pressure change can be confirmed. 4 (d), it can be seen that the CO 2 adsorption capacity increases as the pressure increases from 10 -6 bar to 10 -2 bar.
(3) (3) 그래핀Grapina 나노리본의 너비 및 금속 간 거리(L)에 따른 Depending on the width of the nanoribbon and the distance between metals (L) COCO 22 흡착 용량 변화 Adsorption capacity change
하기 도 4의 (e)를 보면, 그래핀 나노리본의 너비(Ribbon width) 12 내지 22 Å 범위에서 CO2 흡착 용량(CO2 working capacity) 변화를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다. 이를 통해, 그래핀 나노리본의 너비가 줄어들수록 CO2 흡착 용량이 증가하고, 금속 간 거리(L)가 짧을수록 CO2 흡착 용량이 증가하는 것을 알 수 있었다.4 (e), a graph showing a change in CO 2 adsorption capacity (CO 2 working capacity) in the range of the ribbone width of 12 to 22 Å can be confirmed. This, yes The less the width of the pin nanoribbons was found to increase the CO 2 absorption capacity, the shorter the distance between the metal (L) increase the CO 2 adsorption capacity.
Claims (9)
상기 그래핀 나노리본의 폭을 기준으로 가장자리로부터 외측 폭의 1/4 범위에 해당되는 영역인 가장자리 영역에 분산된 금속을 포함하는 이산화탄소 흡착제로서,
상기 금속 간의 거리는 평균 8 내지 22 Å이고,
금속 간의 결합 에너지는 1.4 내지 1.7 eV인 이산화탄소 흡착제.Graphene nanoribbons having an average width of 10 to 100 angstroms; And
And a metal dispersed in an edge region which is a region corresponding to a range of 1/4 of an outer width from an edge with respect to a width of the graphen nano ribbon,
The distance between the metals is on average 8 to 22 A,
And the bonding energy between the metals is 1.4 to 1.7 eV.
그래핀 나노리본은 지그재그(zigzag) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제.The method according to claim 1,
The graphene nanoribbon is a carbon dioxide adsorbent having a zigzag structure.
금속의 응집 에너지는 2 eV 이하인 이산화탄소 흡착제.The method according to claim 1,
Coagulation energy of metal is 2 eV or less.
금속은, Li, Na, K, Mg, Ca 및 Ba 중 1 종 이상을 포함하는 이산화탄소 흡착제.The method according to claim 1,
A carbon dioxide adsorbent comprising at least one of Li, Na, K, Mg, Ca, and Ba.
이산화탄소 흡착 용량은 3 mmol/g 이상인 이산화탄소 흡착제.The method according to claim 1,
A carbon dioxide adsorbent having a carbon dioxide adsorption capacity of 3 mmol / g or more.
이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제를 가열하여 이산화탄소를 탈착하는 단계를 포함하는 이산화탄소 흡착제의 재생방법.Absorbing carbon dioxide using the carbon dioxide adsorbent according to claim 1; And
And heating the carbon dioxide adsorbent adsorbed by the carbon dioxide to desorb the carbon dioxide.
이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제를 가열하여 이산화탄소를 탈착하는 단계에서,
가열 온도는 350 K 이상인 이산화탄소 흡착제의 재생방법.The method according to claim 6,
In the step of heating the carbon dioxide adsorbent adsorbing carbon dioxide to desorb the carbon dioxide,
A method for regenerating a carbon dioxide adsorbent having a heating temperature of 350 K or more.
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