3'00"읽기
- CO2 트랩으로서의 이온성 액체
- 2D 구성은 이온성 액체의 CO2 흡착을 촉진

이온 "체스판"을 통한 더 좋은 CO2 포집
2차원 소금층은 일반 이온성 액체보다 더 많은 이산화탄소를 결합할 수 있다.

효과적인 CO2 제거제:
액체 소금의 극도로 얇은 층은 공기에서 이산화탄소의 포획을 촉진할 수 있다고 한 연구팀이 제안했다. 이온성 액체의 2D 형태는 10배 더 많은 CO2와 결합할 수 있으며 이러한 염의 3차원 형태보다 구조적으로 더 강력하다. 이것은 이온이 이 단층 화합물에서 가정하는 안정적인 바둑판 구성 때문이다. 

▲ 이온성 액체의 단층은 양전하와 음전하를 띤 분자의 바둑판 무늬를 형성한다. 이것은 이산화탄소와 특히 잘 결합할 수 있다. © Institute of Process Engineering/ CAS

탄소 포집 및 전환(CCU)은 기후 보호를 위한 중요한 기술로 간주된다. 배기가스 또는 주변 공기에서 이산화탄소를 분리하는 것은 온실 효과를 상쇄하기 때문에, 특히 CO2가 암석이나 건축 자재에 장기간 결합되어 있는 경우에 그렇다. 그러나 합성 연료는 CO2 포집과 CO2의 후속 화학 처리를 통해 생산될 수도 있다.

CO2 트랩으로서의 이온성 액체?

효과적인 CO2 포집을 위한 기술은 이제 막 시작되었다. 지금까지 아민 형태의 액체 흡수제가 이러한 시스템에서 주로 사용되었지만 결합된 CO2를 다시 방출하기 위해서는 비교적 많은 에너지가 필요하다. 금속-유기 골격 화합물 또는 특수 멤브레인도 흡수제로 사용할 수 있지만 테스트 단계에 불과하다.

베이징에 있는 중국과학원의 Yanlei Wang과 그의 동료들은 이제 또 다른 유망한 CO2 흡수제를 제시하고 있다. 그들의 연구는 이온성 액체를 기반으로 한다. 이들은 100도 이하의 온도에서 녹지만 기화하기가 매우 어려운 이온으로 구성된 염이다. 이러한 액체는 일반적으로 음으로 하전된 할로겐 함유 파트너와 결합된 이미다졸과 같은 고리 모양의 유기 아민 화합물로 구성된다.

▲ 이온성 액체의 2D 형태는 일반 액체보다 훨씬 더 많은 CO2를 흡수한다. © © Institute of Process Engineering/ CAS

비정상적인 녹는 거동이 있는 체스판

그들의 연구를 위해 Wang과 그의 팀은 그러한 염의 특별한 형태인 단일 분자 층으로 구성된 층을 조사했다. 이 2차원 이온성 액체는 분자가 극저온 조건에서 특정 금속 기질에 증발될 때 형성됐다. "양이온과 음이온은 규칙적인 바둑판 패턴으로 배열된다"라고 팀이 보고했다.

온도가 점진적으로 증가하면 이온층은 일반 3D 형태와 달리 세 단계로 녹기 시작한다. "이온성 2D 액체는 변칙적인 다단계 용융 과정을 보여준다"라고 연구원들은 말했다. 이온은 먼저 방향을 변경했지만 제자리에 유지되었다. 그런 다음 양이온은 레이어 평면에 가로로 배치되었지만 여전히 바둑판 패턴을 유지했다. 세 번째 단계에서만 이온이 용융물에서 자유롭게 움직였다.

더 많은 CO2 흡수, 쉬운 탈착

그러나 이러한 기본적인 특성이 CO2 포집에 의미하는 바는 무엇일까?
팀은 또한 이것을 실험적으로 조사했다. 그 결과 2D 구성은 이온성 액체의 CO2 흡착을 촉진했다. Wang과 그의 팀은 "2D 형태에서 결합된 CO2의 밀도는 3차원 변형에서보다 거의 두 배나 높았다"며 "CO2 흡착은 최소 10배 정도 개선되었다"고 보고했다. 화학자들은 이것이 주로 CO2가 결합할 수 있는 분자의 바둑판 격자에 더 많은 불포화 수소 결합이 있다는 사실에 기인한다.

2차원 염은 CO2를 비교적 효과적으로 결합할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 소모가 비교적 적으면서 자발적으로 온실가스를 다시 공기중으로 방출한다. 또한 긍정적인 점은 탈착 중에 2차원 염막의 "체스판"이 안정적으로 유지된다는 점이다. 온난화가 분자를 가로지르지만 전체 구조를 용해시키는 것만으로는 충분하지 않다.

가스 분리에 유용한 도우미

Wang과 그의 팀에 따르면 2D 이온성 액체는 CO2 포집 및 기타 형태의 가스 분리에서 강력하고 효율적인 도우미 역할을 할 수 있다. 이 층의 구조와 흡착 거동은 그들이 보고한 대로 금속 기질을 신중하게 선택함으로써 더욱 최적화될 수 있다.
(Cell Reports Physical Science, 2022, doi:10.1016/j.xcrp.2022.100979)
출처: 중국과학원

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]