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Nanoporous materials for efficient $CO_2$ capture : amine impregnation in metal-organic frameworks and porous carbon derived from covalent organic polymers = 효율적인 이산화탄소 흡착을 위한 나노 다공성 물질 연구
서명 / 저자 Nanoporous materials for efficient $CO_2$ capture : amine impregnation in metal-organic frameworks and porous carbon derived from covalent organic polymers = 효율적인 이산화탄소 흡착을 위한 나노 다공성 물질 연구 / YoungDong Song.
저자명 Song, YoungDong ; 송영동
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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초록정보

As the concentration of carbon dioxide ($CO_2$) in air has been steadily increasing, global problems emerged concerning climate changes. In order to reduce $CO_2$ emissions from fossil fuel based industries, which account for the most $CO_2$ emissions, industries have been using monoethanolamine (MEA) solutions in water. However, MEA solution requires exorbitant heat for the regeneration of sorbents due to high heat capacity of water. One of the viable methods to overcome this drawback is to use porous solids, which require less heat for regeneration. In this thesis, we show two different promising porous solids as alternative $CO_2$ adsorbents. In the first part of the work, amine impregnated metal-organic framework (MOF) was synthesized and analyzed. One of oligomeric amines, pentaethylenehexamine (PEHA), was impregnated in one of the most robust MOFs, UiO-66 (UiO refers to University of Oslo). The results show that as more PEHA was impregnated, $CO_2$ uptake was increased. However, UiO-66-PEHA composite shows severe structural deformation during its regeneration cycle, which was confirmed by in-situ temperature resolved XRD. Conversely, pristine UiO-66 shows reversible and flexible crystal structure in the same conditions. This shows an unexpected instability of the most stable MOF even in contact with a weak basic amine. Also, a structural collapse following the concentration of amine was observed. In the second part of the work, porous carbon materials derived from a sulfur-containing covalent organic polymer (COP-6) were synthesized by physical or chemical activation, and the effects of carbonization conditions on porosity and $CO_2$ uptake were compared. As a result, direct chemical activation from COP-6 with the ratio of 4:1 (KOH:COP-6) exhibits the highest surface area (3647 $m^2/g$) and pore volume ($3.03 cm^3/g$). Helium led to higher surface area with lower pore volume than nitrogen. When two temperatures ($600^{o}C$ and $700^{o}C$) were compared, higher temperature ($700^\circ C$) gave higher mesopore volume with similar micropore volume, meaning that porosity can be tuned by carbonization temperature. Three KOH ratios (2:1, 4:1, and 6:1) were compared, showing that 4:1 ratio of KOH:COP-6 leads to highest surface area with large mesopore volume at the expense of micropore volume when compared to 2:1 ratio. However, the highest $CO_2$ uptake was observed in physical-chemical double step process. This is ascribed to a large volume of ultramicropore (< 0.7 nm), which efficiently interacts with $CO_2$ molecules.

전 세계적으로 기후변화의 원인이 되는 이산화탄소를 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 그 노력의 일환으로 산업에서 배출되는 이산화탄소 포집을 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 기존의 방법인 액체 아민 수용액을 이용한 이산화탄소 포집은 화학적인 흡수 후 재사용을 위한 탈착 과정에 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 고체 포집제에 대한 연구가 각광받고 있다. 본 연구에서는 첫 번째로 가장 촉망 받는 물질중 하나인 metal-organic frameworks (MOFs) 에 아민을 함침시켜 흡착제로서의 성능을 확인하였다. 안정하다고 알려진 zirco-nium 기반의 MOF중 하나인 UiO-66에 pentaethylenehexamine (PEHA) 를 함침 후 이산화탄소 흡착량과 안정성을 측정한 결과 기존의 UiO-66보다 향상된 흡착량과 흡착열을 가지는 복합체가 합성되었다. 하지만 흡착제 재사용에 필요한 온도에서 MOF-아민 복합체의 결정구조가 감소하여 사라지는 현상을 In-situ temperature resolved XRD로 확인하였다. 이는 UiO-66이 기존의 보고된 강염기에서 안정성이 낮다는 것과 다르게 약염기성인 아민 내에서도 불안정하다는 사실을 보여준다. 아민-UiO-66 복합체와 다르게 기존의 UiO-66은 같은 조건에서 온도가 증가할수록 격자상수가 감소했다. 하지만 온도가 감소함에 따라 격자상수가 원래의 위치로 돌아와 flexible한 것을 관찰하였다. 두번째로 황을 포함하고 있는 다공성 고분자의 한 종류인 COP-6을 이용한 다공성 탄소구조체가 합성 및 분석되었다. 다공성 고분자인 COP-6을 KOH에 함침 시켜 탄화과정을 거친 결과 최고 표면적 $3647 m^{2}/g$, 기공부피 $3.03 cm^{3}/g$ 에 달하는 다공성 탄소구조가 형성되었다. 이는 기존의 COP-6구조보다 최대 200배 증가한 표면적과 100배 증가한 기공부피를 가진다. 비슷한 미세공의 부피를 가진 물질의 경우 황을 포함하고 있을 때 더 많은 이산화탄소 흡착량을 보이는것으로 나타났다. 하지만 가장 높은 이산화탄소 흡착능은 흡착제의 총 비표면적 및 기공크기와 상관없이 가장 큰 초미세공 (기공크기 < 0.7nm) 부피를 가진 물질에서 관찰되었다. 이는 이산화탄소 분자와 효과적으로 상호작용을 하는 초미세기공의 부피가 저압 (~1bar) 이산화탄소 흡착에 가장 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 밝혀졌다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEEW 16004
형태사항 53 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 송영동
지도교수의 영문표기 : Cafer T. Yavuz
지도교수의 한글표기 : 자패르 야부즈
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원,
서지주기 References : p. 47-51
주제 $CO_2$ capture
MOFs
Covalent Organic Polymers
Carbonization
Amine Impregnation
이산화탄소 흡착
다공성 탄소
Covalent Organic Polymers
Metal-Organic Frameworks
아민 함침
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