기술에 새로운 생명을 불어넣다: 아르곤에서 산소를 분리하는 새로운 방법

고체의 흡착 특성과 액체의 용해 능력을 결합하여 연구원들은 가스 내 산소 분리를 개선하기 위한 다재다능하고 효율적인 재료를 만들었습니다. 저렴한 산소 공급을 늘리는 것 외에도 다양한 가스를 분리하는 물질을 개발하여 산업에서의 사용을 늘리고 잠재적으로 온실가스를 제어하고 있습니다.

효율적인 가스 분리는 의료 응용 분야에서 에너지 생산에 이르기까지 다양한 산업에서 필수적입니다. 그러나 혼합물에서 산소를 분리하는 것은 상당한 기술적 과제를 안겨줍니다. 아르곤과 산소를 ​​포함한 많은 가스가 유사한 물리적 특성을 공유하기 때문에 분리하기 어렵습니다.

이제 나고야 대학의 Ryotaro Matsuda와 그의 팀은 가스 분리에 대한 새로운 접근 방식을 나타내는 고유한 다공성 금속-유기 골격(MOF)을 개발했습니다. "흡착"과 "용해"의 결합된 현상으로, 그들은 "흡착-용해" 메커니즘이라고 부릅니다. 그들의 연구 결과는 Nature Communications 에 게재되었습니다.

가스 분리 기술은 전통적으로 두 가지 특성, 즉 나노 크기의 기공에 가스를 흡착하는 물질의 능력(흡착) 또는 가스를 액체로 용해시키는 물질의 능력(용해)에 의존했습니다. 그러나 각 방법에는 제한이 있습니다. 제올라이트 및 활성탄과 같은 다공성 고체에 의한 가스의 효과적인 흡착은 산소 및 아르곤과 같은 특정 가스를 선택적으로 분리할 수 없기 때문에 방해를 받으며, 이로 인해 잠재적인 용도가 제한됩니다. 반면에 특정 액체는 가스를 효과적으로 용해할 수 있지만 액체 특성으로 인해 산업 응용 분야에서 취급하기가 어렵습니다.

다공성 고체 MOF는 종종 화합물과 결합되어 흡착성이 높은 재료를 생성합니다.

Matsuda와 그의 동료들은 이 특성을 사용하여 MOF 재료를 산소에 대한 친화력이 높은 액체인 과불화탄소와 결합하여 기공 내에 산소 분자를 흡착하는 골격을 만들었습니다.

과불화탄소는 용해를 도와 MOF와 결합하면 강력한 흡착-용해력을 생성하여 가스 분리를 ​​훨씬 더 효율적이고 선택적으로 만듭니다.

Matsuda는 "흡착 및 용해 과정은 사용되는 매체(이 경우 고체와 액체)의 특성이 다르기 때문에 근본적으로 별개의 현상으로 인식되었습니다."라고 말했습니다.

"우리의 물질은 퍼플루오로알킬 사슬로 조밀하게 채워진 기공을 가지고 있으며, 이는 우리가 '흡착-용해' 행동이라고 부르는 행동의 조합을 생성합니다."

연구팀은 일반적으로 분리하기 어려운 두 원소인 아르곤과 산소를 ​​분리하기 위해 자신의 물질을 성공적으로 사용했습니다. 그들은 많은 산업 분야에서 활용되는 원소인 순수한 산소를 생산했습니다.

마츠다 박사는 “제철과 같은 산업에서는 연소 및 화학 반응을 위해 고순도 산소가 필요한 반면, 의료 환경에서는 특히 호흡기 문제가 있는 환자의 치료에 농축된 산소가 필수적”이라고 말했습니다.

그룹은 그들의 기술이 공기로부터 산소를 농축하기 위해 에너지 효율적인 방법을 요구하는 산업에 사용될 것으로 기대하고 있습니다.

이러한 프로세스는 현재 많은 에너지를 소비하므로 연구 결과는 운영 비용과 환경 영향을 모두 낮출 수 있습니다.

특히 의료 환경에서 산소 강화는 환자 치료를 개선하고 값비싸고 부피가 큰 산소 탱크의 사용을 줄일 수 있습니다.

이 새로운 물질의 잠재적인 응용은 산소 분리를 넘어 확장됩니다. "흡착 용해" 현상은 복잡한 혼합물에서 질소, 이산화탄소 또는 수소를 분리하는 것과 같이 이전에는 어렵다고 여겨졌던 다른 가스 분리 작업에 적용될 수 있다고 Matsuda는 말했습니다.

"가스를 효율적으로 농축하고 분리하는 능력은 CO2와 같은 유해한 온실가스를 포집하고 재활용하거나 수소를 효율적으로 분리하여 연료전지 기술을 향상시키는 등 환경 관리에 새로운 기술을 도입하는 문을 열어줍니다."

또한 이 MOF 소재의 에너지 효율성은 글로벌 지속 가능성 이니셔티브와 일치합니다.

세계가 탈탄소 사회로 나아가면서 산업 공정에서 에너지 소비를 줄이는 방법을 찾는 것이 중요합니다. 효율적이고 선택적인 가스 분리 기능을 통해 이 신소재는 녹색 기술의 발전과 가스 분리에 크게 의존하는 산업의 탄소 배출량 감소에 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241219152936.htm