전자레인지를 활용해 석탄 잔류물로 흑연을 만드는 간단한 방법

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-01-10 12:31:04
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(2분 30초 읽기)
- 흑연은 연필, 리튬이온 배터리 전극, 윤활제로도 수요 많은 원자재
- 인공생산을 위해서는 3천도 이상 고온 필요
- 구리 호일 위 석탄잔재물을 아르곤,수소가스 채워진 유리용기에 넣고 전자레인지에 15분 가열.
- 흔한 석탄을 고품질 자재로 만드는 획기적 방법

마이크로파는 석탄 먼지를 흑연으로 바꾼다.
흑연을 생산하는 놀랍도록 간단한 방법 발견.


‘가열’ 15분 후 :
연구자들이 마이크로파에서 단순한 탄소 먼지를 배터리 전극, 윤활제 및 그래핀의 원료인 나노 흑연으로 바꾸었다. 작은 석탄 더미, 구리 호일 및 아르곤과 수소가 든 유리 용기만으로도 전환할 수 있다. 간단하고 저렴한 공정은 석탄 잔류물에서 탐낼 흑연을 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 고순도 흑연, 발견 장소는 실론(Ceylon)- 본(Bonn) 광물학 박물관에 전시

흑연은 일상적인 재료이며 수요가 많은 원자재다.
이 연질 탄소 변형은 연필, 리튬 이온 배터리의 전극에 있으며 윤활제로 필요하다.
전자 및 재료 연구에서 탐내는 그래핀(Graphen)도 흑연으로 만들어진다.
앞으로 흑연은 연료 전지와 전자 제품의 냉각제로도 사용될 수 있다. 연질 탄소 소재에 대한 수요는 전 세계적으로 증가하고 있다.

▲ 연질 탄소 변형은 연필, 리튬 

이온 배터리의 전극에 있으며

윤활제로 필요하다. 


흑연은 전 세계의 특정 유형의 암석에서 풍부하게 발견되지만 유럽에는 현재 활성 채굴 지역이 거의 없다. 점결탄(coking coal*) 에 의한 흑연의 인공 생산도 가능하지만 3천도 이상의 온도가 필요하다.
*점결탄(粘結炭 coking coal : 고생대와 중생대의 퇴적층에서 산출되며 양질의 석탄을 생산하는데 사용하는 저품질의 석탄으로 낮은 황, 인 함량을 가진다)

간단한 레시피

크리스토퍼 마시(Christopher Masi)가 이끄는 와이오밍 대학의 연구원들이 최근 더 저렴하고 간단한 대안을 발견했다. 상업적으로 쉽게 이용 가능한 마이크로파는 단순한 탄소 먼지로부터 다결정 나노-흑연을 생산하기에 충분하다. 연구진은 "유한한 흑연 매장지와 흑연 채굴과 관련된 환경 문제로 인해 석탄에서 흑연으로의 전환이 이 원료의 훌륭한 대체 소스가 됐다"고 설명했다.
▲ 구리 가지(copper tines)는 전자 레인지에서 불꽃을 일으킨다. 열이 변화를 촉발시킨다. © Chris Masi

변환을 위해 석탄을 분말로 분쇄하고 구리 호일에 놓는다. 이것은 갈래처럼 자르고 아르곤 가스와 수소가 채워진 유리 용기에 넣는다. 그런 다음 모든 것을 일반 전자 레인지에 넣고 약 15분 동안 ‘조리’한다. 그 결과 전극이나 윤활유로의 추가 처리에 필요한 나노 결정 형태의 작은 흑연 더미가 생성된다.

전자레인지에서 스파크

하지만 전자레인지에서는 어떻게 될까?
변환 과정에서 유리 용기 내부의 구리 호일 끝에서 밝은 불꽃이 나오는 것을 볼 수 있다.
"이 불꽃은 포크 모양으로 필름을 자르기 때문에 발생 한다"고 Masi는 설명한다. "불꽃은 몇 초 안에 980도 이상의 매우 높은 열을 발생시킨다."

이러한 조건 아래에 구리 호일이 촉매 역할을 하고 가스 아르곤과 수소가 환원제로 작용하는 화학 반응이 발생한다. 이것은 석탄 먼지를 다결정 흑연으로 바꾼다.
▲ 흑연의 정육면체 결정구조

금속 보조 마이크로파 처리를 사용한 이 원스텝 방법은 탄소를 흑연으로 변환하는 간단하고 상대적으로 저렴한 방법이라고 과학자들은 말한다.

의미 있는 대안

"이 프로세스는 풍부한 석탄 자원을 고품질 재료로 변환하는 새로운 방법을 열었다"고 Masi와 그의 팀은 말한다. 특별한 이점은 더이상 수익성이 없는 석탄 매장지에서 나온 석탄 먼지와 석탄 잔류물을 흑연으로의 전환에 사용할 수 있다는 것이다.
(Nano-Structures & Nano-Objects, 2021; doi : 10.1016 / j.nanoso.2020.100660)
출처 : University of Wyoming

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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