Amine-containing porous materials have been extensively investigated as an adsorbent for post-combustion $CO_2$ capture due to their effective capturing ability of low-concentration $CO_2$ (ca. 15%) from a wet flue gas. However, earlier studies have focused primarily on the carbon dioxide uptake of adsorbents, and have not demonstrated effective adsorbent regeneration and long-term stability under such conditions. Here we report the scalable synthesis of a functionalized-polyethyleneimine/silica adsorbent which simultaneously exhibits a large $CO_2$ working capacity as well as long-term stability in a practical temperature swing adsorption process (regeneration under 100% $CO_2% at %120 ^\circ C$). We demonstrate that the functionalization of polyethyleneimine (PEI) with 1,2-epoxybutane reduces the heat of adsorption and enhances $CO_2$ desorption properties during regeneration. Moreover, the functionalization significantly improves long-term adsorbent stability over repeated TSA cycles due to the suppression of urea formation and oxidative amine degradation.
$CO_2$ 배출로 인한 지구온난화 등의 기후변화는 범지구적 환경문제로 대두되고 있으며 이에 따라 $CO_2$ 배출 감축 및 저감을 위한 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 개발이 절실한 상황이다. 현재까지 개발된 대부분의 흡착제는 아민과 이산화탄소의 강한 결합력을 이용하여 이산화탄소를 흡착한다. 하지만 기존에 학계에서 연구되어 온 아민 기반의 흡착제는 이산화탄소를 흡착하는 성능은 뛰어나지만 탈착이 어려워 재생 안정성이 떨어지고, 반복적으로 사용하면 화학적 변성으로 인해 그 성능이 떨어지는 장기 안정성 문제가 있다. 또한 대부분의 소재들은 실제 발전소 $CO_2$ 포집에 응용될 정도의 대량생산이 불가능해 실질적으로 유의미한 결과로 이어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 기존의 아민 기반 흡착제에 사용되는 폴리에틸렌이민을 에폭사이드와 간단히 반응시켜 탈착 성능, 반응 속도, 재생 안정성 등을 비약적으로 증진시켰다. 또한 대량생산에 용이하고 경제적인 범용 물질인 실리카, 폴리에틸렌이민, 에폭사이드 등을 흡착제의 원재료로 이용하였다. 이는 기존 흡착제가 갖고 있던 비활성화 문제를 완전히 해결함에 따라 재생 안정성을 현격히 높일 수 있었다. 이렇게 개발된 흡착제는 신속한 이산화탄소 흡탈착 특성, 높은 재생 안정성, 대량 생산성, 성형성, 마모 강도 등의 모든 공학적 요구 조건을 만족하고 있기 때문에 현재까지 발표된 그 어떤 고체 흡착제보다 상용화에 가깝다.
