Precursor-Dependent Effect of Urea Functionalization on CO₂ Capture by K₂CO₃- Activated Carbon Derived from Tembesu Wood and Bark

기술 요약: 템베수 나무(Tembesu wood) 및 수피 유래 K₂CO₃ 활성 탄소의 CO₂ 포집에 미치는 요소 전구체 의존적 요소 기능화 효과

문제 제기
대기 중 CO₂의 지속적인 상승은 효과적이고 저에너지인 탄소 포집 기술의 개발을 요구하고 있다. 다공성 탄소 재료는 안정성과 조절 가능한 특성 덕분에 유망하지만, 그 성능은 표면 화학 및 기공 구조에 매우 민면하다. 특정 생물량(biomass)의 해부학적 분획이 화학적 활성화 및 질소 기능화에 어떻게 반응하는지에 대한 이해에는 중요한 공백이 존재한다. 기존의 접근 방식은 생물량 전구체를 균질한 것으로 취급하거나, 질소 기능화(예: 요소 활용)가 보편적으로 CO₂ 흡착을 향상시킨다고 가정하는 경우가 많다. 본 연구는 템베수 나무(Fagraea fragrans) 폐기물을 모델 재생 자원으로 사용하여, 특정 해부학적 기원(내재 목재 vs 수피)에 따라 요소 기능화의 효능이 달라지는지 여부를 다룬다.

연구 방법
본 연구는 내재 목재와 수피로 구분된 두 가지 뚜렷한 분획으로 나누어진 템베수 나무 폐기물을 활용하였다. 합성 과정은 세 단계의 순차적 과정을 거쳤다:

1. 수열 탄화(Hydrothermal Carbonization, HTC): 두 분획 모두 160 °C에서 6시간 동안 수열 탄화하여 하이드로차(hydrochar)로 전환하였다.
2. 화학적 활성화: 생성된 하이드로차를 600 °C에서 K₂CO₃를 사용하여 활성화하여 활성 탄소(KA-KT는 내재 목재, KA-KKT는 수피로 명명)를 제조하였다.
3. 질소 기능화: 질소 기능기를 도입하기 위해 수열 경로를 통해 160 °C에서 요소를 사용하여 활성 탄소를 처리하였으며, 그 결과 KA-KT-N 및 KA-KKT-N을 얻었다.

결과물은 다음을 사용하여 특성화되었다:

• 열중량 분석(TGA): 산화 열적 안정성 및 수분/휘발성 물질 보유력을 평가하기 위함.
• 주사 전자 현미경(SEM) 및 ImageJ: 표면 형태 및 외관상 기공 개구 직경을 평가하기 위함.
• 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR): 표면 기능기를 식별하기 위함.
• X선 회절 분석(XRD): 구조적 질서 및 결정성을 결정하기 위함.
• CO₂ 온도 프로그래밍 탈착(CO₂-TPD): CO₂ 흡착 용량 및 상호작용 강도를 정량화하기 위함.

주요 결과
연구 결과, 두 생물량 분획이 합성 및 기능화 과정에 반응하는 방식에서 극명한 대조가 나타났다:

• 구조 및 형태적 진화: K₂CO₃ 활성화는 리그노셀룰로오스 구조를 무질서한 탄소 골격으로 변형시켰다. SEM 분석 결과, 내재 목재 유래 탄소(KA-KT)는 상호 연결된 벌집 모양의 형태를 가진 반면, 수피 유래 탄소(KA-KKT)는 더 고립된 기공 개구를 보였다. 요소 처리는 전구체 의존적인 형태 변화를 유도했는데, 내재 목재 탄소의 평균 외관 기공 개구 직경은 최소한으로 변화(517 nm에서 521 nm)한 반면, 수피 유래 탄소는 유의미하게 증가(572 nm에서 615 nm)했다.
• 열적 거동: TGA는 내재 목재 탄소(KA-KT)가 수피 유래 탄소(9.17%)에 비해 현저히 높은 저온 질량 감소율(26.79%)을 보였음을 나타냈으며, 이는 수분 및 휘발성 물질 보유력의 차이를 시사한다. 요소 처리는 내재 목재 분획의 질량 감소를 감소시켰으나, 수피 분획에는 미미한 영향을 미쳤다.
• CO₂ 포집 성능: 가장 중요한 발견은 요소 기능화에 대한 CO₂ 흡착 반응의 상이한 양상이었다:
  • 내재 목재 (KA-KT): 비기능화 샘플 중 가장 높은 초기 CO₂ 흡착량(2.1844 mmol g⁻¹)을 달성했다. 요소 처리는 성능을 약 4.0% 감소(2.0966 mmol g⁻¹)시켰다.
  • 수피 (KA-KKT): 초기에 가장 낮은 흡착량(1.3835 mmol g⁻¹)을 보였다. 그러나 요소 기능화는 성능을 약 55.3% 향상시켜 흡착량을 2.1485 mmol g⁻¹로 높였다.

주요 기여 및 주장
본 논문은 질소 기능화가 CO₂ 흡착에 미치는 영향이 보편적인 법칙이 아니라, 강력하게 전구체 의존적이라는 점을 주장한다. 본 연구는 다음을 입증한다:

1. 해부학적 분획의 중요성: 단일 목재 종 내에서도 내재 목재와 수피는 활성화 과정 중의 구조적 진화와 이후의 표면 개질에 대한 반응을 결정짓는 구별된 물리화학적 특성을 가진다.
2. 기능화가 항상 유익한 것은 아님: 모든 생물량 유래 탄소에 요소 처리를 적용하는 것이 최적의 전략은 아니다. 템베수 내재 목재의 경우, K₂CO₃ 활성화만으로도 매우 효과적인 흡착제를 얻을 수 있으며, 추가적인 기능화는 오히려 역효 быть 수 있다. 반대로, 템베수 수피의 경우 높은 CO₂ 포집 잠재력을 끌어내기 위해 요소 기능화가 필수적이다.
3. 구조-물성 관계: CO₂ 흡착량은 생물량의 고유한 조성, 활성화에 의한 구조적 발달, 그리고 기능화에 의해 도입된 특정 표면 화학 사이의 복잡한 상호작용에 의해 결정된다. 외관상의 기공 개구 치수(SEM에서 확인된 바와 같이)가 흡착 용량을 전적으로 결정하는 것이 아니라, 미세 기공의 접근성과 표면 기능의 성격이 핵심적이다.

의의
본 연구의 의의는 생물량 유래 흡착제 설계에 있어 균일성을 가정하는 것에 도전한다는 점에 있다. "모두에게 적용되는(one-size-fits-all)" 기능화 전략이 사용되는 생물량 분획에 따라 실패하거나 오히려 성능을 저하시킬 수 있음을 보여줌으로써, 본 연구는 더 미묘하고 정교한 접근 방식을 제안한다. 이는 전구체 선택과 분획이 중요한 설계 매개변수임을 시사한다. 또한, 내재 목재는 최소한의 공정으로 고성능 흡착제로 활용될 수 있고, 수피는 동등한 효율을 달성하기 위해 특정 질소 기능화가 필요하다는 것을 보여줌으로써 템베수 목재 폐기물의 가치 있는 활용을 뒷받s한다. 이러한 접근 방식은 특정 재료 특성에 기반하여 서로 다른 폐기물 스트림의 효용을 극대화함으로써 순환 경제 원칙에 부합한다.