뚫린 물질 은 기존 방법 을 뛰어넘어 메탄 저장 을 촉진 한다

차량이 더 이상 오염 물질을 배출하는 휘발유에 의존하지 않고 깨끗하고 효율적인 천연 가스로 구동되는 미래를 상상해 보세요. 이러한 변화는 온실 가스 배출량을 크게 줄이고 대기 질을 개선할 수 있습니다. 천연 가스의 주요 성분인 메탄은 풍부하며 다른 화석 연료에 비해 연소 시 이산화탄소를 적게 배출합니다. 그러나 메탄을 저장하고 운송하는 것은 상당한 과제를 안고 있습니다. 실온에서 액화되지 않으며 고압 저장은 상당한 비용이 듭니다. 메탄 저장을 위한 더 경제적이고 편리한 솔루션이 있을 수 있을까요?

대답은 '예'인 것 같습니다. 과학자들은 다공성 물질을 사용하여 메탄을 흡착하고 저장하는 방법을 적극적으로 연구하고 있으며, 이는 엄청난 가능성을 보여줍니다. 이 기사에서는 메탄 저장의 과제와 다공성 물질이 어떻게 더 깨끗한 에너지 미래를 열어갈 수 있는지 살펴봅니다.

오늘날 운송의 주요 연료인 휘발유는 연소 및 증발 과정에서 질소 산화물, 황 산화물, 일산화탄소 및 발암성 화학 물질의 미량 성분을 포함하여 상당한 오염 물질을 생성합니다. 이러한 오염 물질은 인간의 건강을 위협할 뿐만 아니라 환경 악화를 악화시킵니다. 결과적으로 깨끗하고 효율적인 대체 에너지원을 찾는 것이 시급해졌습니다. 천연 가스, 특히 메탄은 풍부한 매장량, 저렴한 비용, 연소 시 비교적 낮은 이산화탄소 배출량으로 인해 이상적인 대체재로 부상하고 있습니다.

그러나 메탄을 활용하는 것은 간단한 일이 아닙니다. 임계 온도(191K)가 매우 낮고 임계 압력(46.6bar)이 높아 메탄은 주변 온도에서 액화되지 않아 운송 비용이 크게 증가합니다. 따라서 광범위한 천연 가스 채택을 위해서는 경제적이고 효과적인 저장 방법을 찾는 것이 중요합니다.

메탄 저장 문제를 극복하기 위해 연구자들은 여러 가지 접근 방식을 개발했으며, 세 가지 주요 방법이 두드러집니다.

• 액화 천연 가스(LNG): 메탄은 저장하기 위해 극저온(약 112K)으로 냉각됩니다. 이 방법은 부피를 크게 줄이지만 복잡한 극저온 냉각 시스템이 필요하며 비용이 많이 듭니다.
• 압축 천연 가스(CNG): 메탄은 고압(약 200bar)에서 저장됩니다. 이 방법은 비교적 간단하지만 고압 용기와 다단계 압축기가 필요하므로 장비 비용과 안전 위험이 모두 증가합니다.
• 흡착 천연 가스(ANG): 금속-유기 골격체(MOF) 및 공유 결합 유기 골격체(COF)와 같은 다공성 물질을 사용하여 메탄을 흡착하여 저장합니다. 이 방법은 추가 에너지 투입 없이 저압(1-300bar) 및 온도(7-298K)에서 작동하므로 매우 유망한 솔루션입니다.

비싼 다단계 압축기와 무거운 고압 탱크가 필요한 CNG와 복잡한 극저온 시스템에 의존하는 LNG에 비해 다공성 물질을 사용한 ANG 저장은 가장 실행 가능한 단기 솔루션으로 보입니다. 추가 에너지 요구 사항 없이 적절한 압력 및 온도 조건에서 작동하여 경제적 타당성을 높입니다.

금속-유기 골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 링커로 구성된 결정성 다공성 물질로, 주기적인 네트워크 구조를 형성합니다. 이러한 물질은 초고 표면적, 조절 가능한 기공 크기 및 구조, 쉬운 기능화를 자랑하여 가스 저장, 분리 및 촉매 작용에 매우 다재다능합니다.

MOF와 메탄의 상호 작용은 적당하여 실온 및 비교적 높은 압력에서 메탄을 저장할 수 있습니다. 즉, 주변 조건에 가까운 조건에서 효과적인 메탄 저장이 가능하여 에너지 소비와 장비 비용을 줄일 수 있습니다.

2015년 Eddaoudi와 동료들은 메탄 저장을 위해 Alsoc-MOF-1이라는 MOF 물질을 보고했습니다. 298K 및 65bar에서 총 메탄 흡착 용량은 0.42g/g, 작동 용량(5-65bar)은 0.37g/g로 강력한 메탄 저장 성능을 나타냈습니다.

일반적으로 적절한 기공 크기를 가진 MOF를 개발하고 기능 그룹 또는 사이트를 통합하면 부피 메탄 용량을 향상시킬 수 있습니다. 또한 기공 부피와 표면적이 더 큰 MOF는 중량 메탄 용량이 더 높은 경향이 있습니다. 이는 특정 구조와 기능을 가진 MOF를 신중하게 설계하고 합성함으로써 메탄 저장 능력을 더욱 향상시킬 수 있음을 시사합니다.

공유 결합 유기 골격체(COF)는 강한 공유 결합으로 연결된 가벼운 원소(B, C, O, H, Si 등)로 구성된 결정성 다공성 물질입니다. MOF와 마찬가지로 COF는 높은 표면적, 큰 기공 부피 및 조절 가능한 기공 구조를 특징으로 합니다. 무엇보다도 COF는 밀도가 매우 낮아 알려진 가장 밀도가 낮은 결정성 물질(0.17g/cm³ 이하)에 속합니다. 이는 COF에 가스 저장, 특히 경량 물질이 필수적인 응용 분야에서 고유한 이점을 제공합니다.

일반적으로 3차원(3D) COF는 더 복잡한 기공 구조와 더 큰 기공 부피를 통해 더 많은 메탄 흡착 부위를 제공하므로 2차원(2D) COF보다 메탄 흡착 성능이 뛰어납니다.

예를 들어, 3D COF-102는 기공 부피가 1.55cm³/g이고 COF-103은 1.54cm³/g입니다. 35bar 및 298K 조건에서 각각 187mg/g(18.7wt%) 및 175mg/g(17.5wt%)의 고압 메탄 흡착 용량을 나타내며, 이는 COF 중에서 가장 높습니다. 반면, 기공 부피가 1.07cm³/g인 2D COF-5는 동일한 조건에서 89mg/g(8.9wt%)의 메탄 흡착 용량을 보이며, 이는 2D COF 중에서 가장 높습니다.

이러한 결과는 특히 고압 조건에서 메탄 저장을 위한 COF의 상당한 잠재력을 강조합니다. 특정 기공 구조와 기능을 가진 COF를 설계하고 합성함으로써 실용적인 응용 분야에서 메탄 저장 능력을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

• 흡착 용량 향상: 기존 MOF 및 COF는 주목할 만한 메탄 흡착을 보여주지만 개선의 여지가 많습니다. 향후 연구에서는 표면적이 더 크고, 기공 부피가 더 크며, 메탄 친화력이 더 강한 물질을 설계하는 데 중점을 두어야 합니다.
• 안정성 향상: 일부 MOF 및 COF는 습하거나 산성 환경에서 분해되기 쉬워 실제 응용 분야가 제한됩니다. 화학적 및 열적 안정성이 더 큰 물질을 개발하는 것이 필수적입니다.
• 비용 절감: MOF 및 COF의 현재 합성 비용은 상대적으로 높아 대규모 채택을 방해하고 있습니다. 더 경제적이고 효율적인 합성 방법을 탐구해야 합니다.

이러한 과제에도 불구하고 과학 기술의 지속적인 발전은 MOF와 COF가 메탄 저장에서 점점 더 중요한 역할을 할 것임을 시사합니다. 이는 지속 가능한 개발에 기여하여 미래의 청정 에너지 시스템의 핵심 구성 요소가 될 수 있습니다.

메탄은 광대한 잠재력을 가진 깨끗하고 효율적인 대체 에너지원입니다. 그러나 저장 및 운송 문제는 여전히 남아 있습니다. MOF 및 COF와 같은 다공성 물질을 사용하여 메탄을 흡착하는 것은 매우 유망한 솔루션을 제시합니다. 지속적인 연구 개발을 통해 기존의 장애물을 극복하여 효율적인 메탄 저장 및 활용을 가능하게 할 수 있으며, 이는 더 깨끗하고 지속 가능한 에너지 미래를 향한 중요한 단계입니다.