Study on Two-Step and Low-Temperature Wet Activation of Residual Carbon Derived from Coal Gasification Fine Slag and Its Electrochemical Performance for Supercapacitor

깨끗한 에너지를 향한 탐구 속에서, 과학자들은 전기를 저장하는 더 나은 방법을 끊임없이 찾고 있습니다. 유망한 도구 중 하나는 슈퍼커패시터로, 이는 전력을 거의 즉각적으로 충전하고 방출할 수 있어 차량의 회생 제동이나 전력망 안정화와 같이 빠른 에너지 분출이 필요한 응용 분야에 이상적입니다. 화학 반응을 통해 에너지를 저장하며 시간이 걸리는 배터리와 달리, 슈퍼커패시터는 재료의 표면에 전기적 전하를 붙잡아 두는 방식으로 에너지를 저장합니다. 이러한 저장 효율은 전극에 사용되는 재료에 크게 좌우됩니다. 이상적인 전극은 전하가 달라붙을 수 있는 방대한 내부 표면적을 제공하는 매우 다공성인 탄소로 만들어져야 하며, 이온을 운반하는 액체 전해질에 의해 쉽게 젖을 수 있어야 합니다. 고성능 탄소 재료들이 존재하지만, 이들은 종종 제조 비용이 많이 들거나 에너지 집약적인 제조 공정을 필요로 합니다. 이는 비용 효율적이면서도 환경 친화적인 방법, 즉 폐기물을 가치 있는 자원으로 바꾸는 방법의 필요성을 창출합니다.

중국에서는 석탄을 가스화하여 연료 가스를 생산하는 과정에서 '석탄 가스화 미세 슬래그'라고 불리는 막대한 양의 고체 폐기물이 발생합니다. 이 폐기물의 상당 부분은 미연 탄소를 포함하고 있는데, 현재는 골칫거리로 취급되어 흔히 버려지거나 저가형 에너지 회수를 위해 태워집니다. 내몽고 과학기술대학교의 연구팀은 이 폐기물에서 기회를 포착했습니다. 그들은 이 슬래그에 남아 있는 잔류 탄소를 슈퍼커패시터용 고성능 전극 재료로 변환시키고자 했습니다. 그들의 목표는 전통적인 방식에서 흔히 쓰이는 극심한 열과 높은 에너지 비용을 사용하지 않고도, 이 탄소를 활성화하는 것(즉, 구조를 열어 더 다공성이고 화학적으로 활발하게 만드는 것)의 방법을 찾는 것이었습니다. 대신, 그들은 두 단계의 화학적 처리를 통해 재료의 형태를 재구성하는, 훨씬 낮은 온도에서 진행되는 '습식 활성화' 과정을 탐구했습니다.

연구진은 먼저 미세 슬래그에서 미연 탄소를 분리했습니다. 그런 다음 이 가공되지 않은 탄소를 특정 순서의 화학적 처리에 노출시켰습니다. 첫째, 재료를 질산에 담갔습니다. 이 단계는 마치 부드러운 세척처럼 작용하여 탄소 입자 표면에 산소가 풍부한 그룹을 도입하고, 물과 이온에 더 잘 반응하도록 만들었습니다. 이어서, 연구진은 밀폐된 용기 안에서 적당한 온도로 가열하며 산으로 세척된 탄소를 강염기인 수산화칼륨으로 처리했습니다. 이 두 번째 단계는 재료를 더욱 식각하여 미세한 구멍의 네트워크를 만들고, 산이 도입했던 질소 함유 종들을 제거했습니다. 연구팀은 어떤 열 수준이 최상의 결과를 낳는지 확인하기 위해 네 가지 다른 온도에서 이 과정을 테스트했습니다. 또한, 화학 물질의 순서를 바꾸어 염기를 먼저 적용한 뒤 산을 적용하는 실험을 진행하여, 처리 순서가 최종 구조에 어떤 영향을 미치는지 이해하고자 했습니다.

결과는 작업 순서와 온도가 결정적이라는 것을 보여주었습니다. 가장 성공적인 재료는 산 처리를 먼저 하고 염기 처리를 다음에 하여 섭씨 150도에서 처리한 것이었습니다. 연구진이 RCHK-3라고 명명한 이 특정 샘플은 775 m²/g의 비표면적을 가진 고도로 다공성인 구조를 발달시켰습니다. 이 규모를 체감하기 위해 설명하자면, 이 재료 단 1그램의 표면적은 아주 작은 먼지 한 점 안에 테니스 코트 하나가 통째로 들어있는 것과 맞먹는 수준입니다. 더 중요한 것은, 이 재료의 표면이 믿기지 않을 정도로 친수성, 즉 물을 매우 좋아하게 되었다는 점입니다. 테스트 결과, 액체 전해질 한 방울이 표면에 거의 즉시 퍼졌는데, 이는 액체를 밀어냈던 가공되지 않은 탄소와 비교했을 때 35도의 접촉각을 보였습니다. 이러한 젖음성은 전해질이 재료의 깊은 구멍 속으로 쉽게 침투하여, 이온이 에너지 저장을 위한 모든 가용 지점에 도달할 수 있도록 보장합니다.

연구진이 이 새로운 재료를 슈퍼커패시터에 테스트했을 때, 성능은 매우 뛰어났습니다. 표준 테스트에서 이 재료는 1그램당 155 패러드(farads per gram)의 비용량, 즉 얼마나 많은 전기 전하를 보유할 수 있는지를 나타내는 수치를 전달했습니다. 이 성능은 화학적 순서가 뒤바뀌었거나 더 높거나 낮은 온도에서 처리된 샘플들보다 우수했습니다. 또한 이 재료는 놀라울 정도로 내구성이 뛰어났습니다. 10,000번의 충전 및 방전 과정을 거친 후에도, 장치는 원래 용량의 99.03%를 유지하며 수천 번의 사이클 동안 구조가 안정적임을 입증했습니다. 이를 대칭형 슈퍼커패시터 장치로 조립했을 때, 시스템은 270 W/kg의 출력 밀도와 6.6 Wh/kg의 에너지 밀도를 달로했습니다. 이 수치들은 이 장치가 에너지를 빠르게 방출하고 유용한 양의 전하를 보유할 수 있으며, 이 모든 것이 이전에 산업 폐기로 간주되었던 재료로 만들어졌음을 나타냅니다.

본 연구는 이 두 단계의 저온 습식 활성화가 석탄 가스화 폐기물을 가치 있는 에너지 저장 구성 요소로 업그레이드하는 실행 가능한 전략임을 시사합니다. 탄소를 활성화하는 데 흔히 요구되는 고온을 피함으로써, 이 공정은 에너지 소비를 줄이고 부식성 화학 물질로 인한 장비 손상 위험을 최소화합니다. 연구는 산 처리 후 염기 처리를 하는 특정 순서가 적절한 기공과 표면 화학의 균형을 만드는 핵심이라는 점을 강조합니다. 이 재료의 성능은 바이오매스로 만든 일부 탄소 전극과 견줄 만하지만, 여기서의 이점은 원료에 있습니다. 즉, 원료는 현재 처리에 어려움을 겪고 있는 거대한 산업 공정의 부산물이라는 점입니다. 이 연구는 무엇이 한때 쓰레기였던 것을 미래의 에너지 저장 시스템의 핵심적인 부분으로 바꿀 수 있음을 증명하며, 적절한 화학적 접근법이 있다면 폐기물이 가치 있는 자원이 될 수 있다는 명확한 경로를 제시합니다.