One-pot synthesis of carbon nanotube/graphene composite phase change materials based on Pickering emulsion for solar thermal storage

세계는 태양으로부터 오는 에너지를 포집하고 유지할 수 있는 더 나은 방법을 끊임없이 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 열을 흡수하고, 저장하고, 나중에 필요할 때 방출할 수 있는 재료를 활용하는 것입니다. 상변화 물질(phase change materials)이라고 알려진 이 물질들은 고체에서 액체로 녹으면서 막대한 양의 에너지를 흡수하고, 다시 얼면서 그 에너지를 되돌려줌으로써 작동합니다. 이 과정은 매우 작은 공간에 방대한 양의 열에너지를 보유할 수 있게 하여, 건물의 온도를 조절하는 것부터 태양 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장하는 것에 이르기까지 다양한 분야에 유용하게 쓰입니다. 그러나 이 물질들은 광범위한 채택을 가로막는 두 가지 중요한 장애물에 직면해 있습니다. 첫째, 열전도율이 낮은 경우가 많아 따뜻해지거나 식는 데 시간이 너무 오래 걸립니다. 둘째, 녹았을 때 액체로 변하여 용기 밖으로 쉽게 새어 나갈 수 있으며, 이는 엉망인 상황을 만들고 시스템을 쓸모없게 만듭니다.

시안 시유 대학교(Xi'an Shiyou University)의 연구진은 이 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 헥사데카놀(hexadecanol)이라는 왁스 같은 물질을 탄소로 만든 견고한 3차원 그물망 안에 가두는 복합 재료를 만들었습니다. 이 구조를 구축하기 위해, 그들은 전통적인 화학 계면활성제 대신 미세한 고체 입자를 사용하여 기름과 물의 혼합물을 안정화하는 피커링 에멀션(Pickering emulsion) 기술을 사용했습니다. 이 특정 사례에서 연구팀은 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 시트와 미세한 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)를 안정화 입자로 사용했습니다. 그들은 이 탄소 성분들을 녹은 헥사데카놀 및 물과 혼합하여, 왁스 방울이 탄소 보호 외피에 의해 둘러싸인 안정적인 에멀션을 만들었습니다. 밀폐된 용기에 이 혼합물을 가열함으로써, 연구진은 그래핀 옥사이드를 고체 형태의 다공성 골격으로 변화시키는 화학 반응을 유도하여 왁스를 탄소 케이지 안에 효과적으로 가두었습니다. 연구진이 '원팟 합성(one-pot synthesis)'이라 부르는 이 단일 단계 공정은 결과적으로 고체 상태를 유지하며, 누출이 없고, 순수 왁스보다 열 이동 능력이 훨씬 뛰어난 재료를 만들어냈습니다.

연구진이 여러 가지 다른 배합으로 테스트한 결과, 이 생성된 재료는 순수 왁스에 비해 놀라운 개선을 보여주었습니다. 연구진이 복합체의 열전도율을 측정했을 때, 탄소 나노튜브를 첨가하는 것이 명확한 차이를 만든다는 것을 발견했습니다. 나노튜브 함량이 가장 높은 샘플은 순수 헥사데카놀보다 열전도율이 25.40% 더 높았습니다. 이러한 개선은 매우 중요한데, 이는 재료가 태양 에너지를 흡수하고 저장된 열을 훨씬 더 빠르게 방출할 수 있음을 의미하며, 이를 통해 실제 응용 분야에서의 실용성을 높여줍니다. 또한 탄소 프레임워크는 누출 문제를 완전히 해결했습니다. 연구진이 복합체를 70도 섭씨로 설정된 가열판 위에 놓았을 때, 순수 헥사데카놀은 몇 분 안에 녹아 흘러내렸습니다. 반면, 복합 재료는 장시간 가열 후에도 눈에 띄는 누출 없이 형태를 완벽하게 유지했습니다. 탄소 그물망이 왁스를 지탱하는 단단한 골격 역할을 하여, 왁스가 액체로 변할 때조차도 이를 가두어 두었습니다.

이 재료는 단순히 열을 보유하는 것을 넘어, 햇빛을 포집하여 열에너지로 전환하는 데 탁ual한 성능을 입증했습니다. 탄소 성분, 특히 그래핀과 나노튜브는 빛을 흡수하는 능력이 매우 뛰어납니다. 연구진이 모사 태양광을 샘플에 비추었을 때, 복합 재료는 순수 왁스보다 훨씬 빠르게 가열되었습니다. 탄소 나노튜브가 가장 많은 샘플은 단 600초 만에 75도 섭씨에 도달한 반면, 순수 왁스는 같은 시간 동안 70도에 그쳤습니다. 이는 이 재료가 태양 열 에너지 저장 시스템의 핵심 요구 사항인 효율적인 태양 에너지 수확이 가능하다는 것을 시사합니다. 또한 연구진은 재료가 순수 왁스보다 더 빨리 식는 것을 관찰했는데, 이는 열을 빠르게 방출해야 하는 시스템에 유익할 수 있습니다.

연구는 탄소와 왁스가 서로 화학적으로 반응하여 새로운 물질을 형성한 것이 아니라, 물리적으로 결합되었음을 확인했습니다. 탄소 구조는 단순히 용기이자 열이 이동하는 통로 역할을 할 뿐이었습니다. 탄소 자체는 녹거나 에너지를 저장하지 않기 때문에 재료가 저장할 수 있는 총 열량은 순수 왁스보다 약간 낮았지만, 그 양은 여로 충분히 효과적이었습니다. 연구진은 이 재료가 반복적인 가열 및 냉각 사이클 후에도 에너지 저장 능력을 유지한다는 점을 언급하며 강력한 안정성을 나타냈습니다. 누출이 없고, 열전도성이 높으며, 태양 에너지 포집 효율이 좋은 재료를 만드는 단순하고 확장 가능한 방법을 사용함으로써, 연구팀은 미래의 열에너지 저장 및 관리 방식을 개선하는 데 기여할 수 있는 후보 물질을 만들어냈습니다.