활성탄 탄소는 그 자체로 전형적인 다공성 탄소 소재입니다. 고도로 발달된 기공 구조, 넓은 비표면적, 그리고 뛰어난 흡착 성능을 특징으로 하며, 흡착, 촉매 지지체, 에너지 저장 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 다공성 탄소 다공성 탄소는 미세 기공, 중간 기공, 거대 기공을 포함하는 탄소 소재를 아우르는 광범위한 개념입니다. 특히, 계층적 다공성 탄소는 더욱 복잡한 기공 구조와 최적화된 성능을 나타냅니다. 엄밀히 말하면 활성탄은 이미 다공성 탄소의 범주에 속합니다. 그러나 연구 및 실제 응용 분야 모두에서 상업용 활성탄이나 예비 탄화 물질이 전구체로 자주 사용됩니다. 다공성 탄소를 준비하기 위해 이러한 소재들은 고도의 구조를 가지며, 2차 활성화 또는 변형 과정을 거쳐 더 높은 비표면적과 최적화된 기공 크기 분포를 갖는 계층적 다공성 탄소로 만들어집니다. 이러한 접근 방식을 통해 미세, 중간 및 거대 기공 구조를 개발할 수 있습니다. 결과적으로, 슈퍼커패시터, 전기 촉매 및 흡착과 같은 응용 분야에서 물질 전달 효율과 전반적인 성능이 크게 향상됩니다.
본 논문에서는 활성탄을 기반으로 하는 다공성 탄소의 제조를 위한 주요 방법, 메커니즘, 공정 단계 및 응용 전망을 소개합니다.
다공성 탄소와 활성탄의 차이점
- 활성탄: 일반적으로 물리적 또는 화학적인 활성화는 주로 미세 기공에 의해 이루어집니다. 비표면적은 일반적으로 500~3000 m²/g 범위입니다. 다공성이 매우 높지만, 기공 크기 분포는 비교적 단순합니다.
- 다공성 탄소: 다양한 기공 구조를 가진 탄소 소재, 특히 미세 기공(<2 nm, 높은 표면적 제공), 중간 기공(2~50 nm, 물질 전달 촉진), 거대 기공(>50 nm, 수송 채널 역할)을 포함하는 계층적 다공성 탄소를 총칭하는 용어입니다. 이러한 소재는 일반적으로 더 넓은 표면적과 최적화된 기공 네트워크를 나타냅니다.
활성탄을 전구체로 사용하여 다공성 탄소를 제조하는 것은 본질적으로 2차 활성화 또는 재활성화 과정이며, 이는 기공 구조를 더욱 정밀하게 가공하고 맞춤화하기 위한 것입니다.
전구체 전처리: 초미세 분쇄
활성탄의 2차 활성화 전에 초미세 분쇄는 활성화 효율과 생성된 다공성 탄소의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 중요한 전처리 단계입니다.
원칙:
시중에서 판매되는 활성탄은 일반적으로 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 과립형입니다. 내부 기공 구조는 잘 발달되어 있지만, KOH와 같은 활성화제의 확산은 제한적입니다. 초미세 분쇄는 이러한 제한을 줄여줍니다. 입자 크기 미크론 또는 서브미크론 규모(<10 μm)까지 크기를 줄여 외부 표면적을 증가시키고, 더 많은 활성 부위를 노출시켜 활성제와의 균일한 함침 및 반응을 촉진합니다. 또한, 기계적 힘은 탄소 골격에 결함을 도입하여 반응성을 향상시킵니다.
공통 장비:
효과 및 장점:
- 입자가 미세할수록 KOH 함침이 더욱 균일해지며, 활성화 후 비표면적이 20~50%까지 증가하고 메조기공의 비율이 높아집니다.
- 연구 결과에 따르면 볼밀링 전처리는 계층적 기공 구조를 최적화하고 이온 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다.
준비 방법
활성탄 전구체로부터 다공성 탄소를 제조하는 주요 방법에는 화학적 재활성화, 템플레이트 보조법, 그리고 물리화학적 복합 활성화법이 있다. 그중에서도 KOH 화학적 재활성화법이 가장 널리 사용된다.
KOH 화학적 재활성화 (가장 일반적인 방법)
원칙:
고온에서 KOH는 탄소와 반응하여 CO 및 CO₂와 같은 기체와 칼륨 함유 화합물을 생성하는데, 이 화합물들이 탄소 골격을 부식시켜 새로운 기공을 만듭니다. 동시에 칼륨 증기가 탄소 층 사이에 삽입되어 기공 구조를 더욱 확장시킵니다.
단순화된 반응 메커니즘:
- 6KOH + 2C → 2K + 3H2 + 2K2CO₃
- K₂CO₃ → K₂O + CO₂
- 이후의 환원 반응으로 금속 K가 생성되어 기공이 더욱 커집니다.
공정 단계(초미세 분쇄 포함):
- 활성탄을 초미세 분쇄하여 미세 분말을 얻습니다.
- 초미세 활성탄을 KOH 용액과 혼합하고(일반적인 KOH/활성탄 질량비: 1:1~4:1) 완전히 교반하거나 분쇄합니다.
- 건조 후, 불활성 분위기(N₂ 또는 Ar) 하에서 600~900°C의 고온에서 1~3시간 동안 활성화 처리를 합니다.
- 냉각시킨 후, 잔류 칼륨 화합물을 제거하기 위해 묽은 산(예: 염산)으로 세척하고, 중성이 될 때까지 물로 헹굽니다.
- 계층적 다공성 탄소를 얻기 위한 건조 공정.
주요 영향 요인:
- KOH 비율: 비율이 높을수록 표면적이 증가하지만, KOH가 과다하면 구조적 붕괴를 초래할 수 있습니다.
- 활성화 온도: 약 800°C가 최적의 온도인 경우가 많으며, 더 높은 온도에서는 메조기공 형성이 촉진됩니다.
- 활성화 시간: 시간이 지나치게 길어지면 탄소가 과도하게 에칭되어 수율이 감소할 수 있습니다.
- 사전 분쇄: 활성화 균일성을 크게 향상시킵니다.
일반적인 성능:
비표면적이 2000 m²/g 이상이고 기공 부피가 1 cm³/g 이상인 계층적 다공성 탄소를 얻을 수 있으며, 이는 슈퍼커패시터 전극으로 널리 사용됩니다.
기타 화학 활성제
ZnCl₂ 또는 H₃PO₄: 중간기공의 추가 개발에 적합하지만 수율은 낮습니다.
K₂CO₃: 보다 온화한 활성제로, 흑연화도가 높은 다공성 탄소를 제조하는 데 적합합니다.
템플릿 지원 재활성화
활성탄은 단단한 템플레이트(예: SiO₂ 나노입자, MgO) 또는 부드러운 템플레이트(계면활성제)와 결합한 후 KOH로 활성화할 수 있습니다.
- 프로세스: 활성탄에 템플레이트와 KOH를 함침 → 고온 탄화 → 템플레이트 제거(HF 또는 산 세척).
- 장점: 보다 규칙적인 기공 구조와 중간 기공 및 거대 기공 비율에 대한 더 나은 제어.
물리적 재활성화
고온에서 CO₂ 또는 수증기를 이용한 2차 활성화는 미세 기공을 더욱 발달시킬 수 있지만, 그 효율은 일반적으로 화학적 방법보다 낮습니다.
일반적인 사례 및 성능
- 석탄 기반 활성탄은 초미세 분쇄 및 KOH 재활성화 과정을 거치면 최대 3000 m²/g의 표면적을 갖는 계층적 다공성 탄소를 생성할 수 있으며, 이는 산소 환원 반응(ORR) 전기 촉매에 적합합니다.
- 바이오매스 유래 활성탄(예: 코코넛 껍질 활성탄)은 재활성화 과정을 거치면 슈퍼커패시터에서 300~400 F/g의 비정전용량을 갖는 계층적 다공성 탄소를 생성할 수 있습니다.
- 연구에 따르면 재활성화된 물질은 종종 벌집 모양의 계층적 다공성 구조를 나타내는데, 이는 이온 수송 및 가스 확산에 유리합니다.
지원 전망
- 에너지 저장: 슈퍼커패시터, 리튬/나트륨 이온 배터리 양극재.
- 전기촉매: 산소 발생 반응(OER) 및 산소 환원 반응(ORR).
- 흡착 및 분리: 이산화탄소 포집, 중금속 제거, 염료 흡착.
- 환경적 지속가능성: 폐활성탄의 재활성화를 통한 자원 재활용.
결론
활성탄을 전구체로 사용하여 다공성 탄소를 제조하는 것은 효과적인 2차 가공 방법이며, 특히 초미세 분쇄 및 KOH 화학적 재활성화와 결합될 때 더욱 효과적입니다. 초미세 분쇄는 활성화 균일성 및 기공 구조 발달을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 합니다.
에픽 파우더’볼밀을 포함한 초미세 분쇄 장비 공기 분류기 분쇄기를 사용하면 활성탄을 마이크론 또는 서브마이크론 크기로 미세화하여 KOH 확산 및 반응 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이를 통해 높은 비표면적과 최적화된 기공 크기 분포를 갖는 계층적 다공성 탄소를 안정적으로 생산할 수 있습니다.
Epic Powder는 신뢰할 수 있고 확장 가능한 분말 가공 솔루션을 통해 에너지 저장, 촉매 및 흡착 응용 분야에 사용되는 고성능 다공성 탄소의 산업적 제조를 지원합니다.
읽어주셔서 감사합니다. 제 글이 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 아래에 댓글을 남겨주세요. 추가 문의 사항은 젤다 온라인 고객 담당자에게 연락하실 수도 있습니다.
— 게시자 에밀리 첸