[논문]Covalent Organic Framework (COF-10)를 이용한 암모니아 흡착 및 탈착에 관한 연구

양희나; 김익태; 고영돈; 김신동; 김화중

doi:10.14478/ace.2016.1025

Covalent Organic Framework (COF-10)를 이용한 암모니아 흡착 및 탈착에 관한 연구
Studies on Adsorption and Desorption of Ammonia Using Covalent Organic Framework COF-10 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.3, 2016년, pp.265 - 269

양희나 (건국대학교 융합신소재공학과) , 김익태 (건국대학교 융합신소재공학과) , 고영돈 (건국대학교 융합신소재공학과) , 김신동 (이앤켐솔루션) , 김화중 (건국대학교 융합신소재공학과)

초록
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수소가 청정 에너지 원으로서의 중요성이 증가하면서 수소의 생산원인 암모니아 기체가 큰 주목을 받고 있다. 그러나 암모니아가 금속을 잘 부식시키고 유독성을 가지고 있기 때문에 암모니아의 저장과 운반을 가능하게 하는 흡착제의 연구가 다각도로 진행되고 있다. 이 중 공유결합 유기구조 물질(covalent organic framework)의 하나인 COF-10은 붕소를 포함한 큰 기공을 가진 물질이다. 암모니아 흡착과정에서 COF-10의 구조 안에 있는 붕소는 루이스 산으로 작용하여 암모니아와 강한 결합을 한다. 본 논문에서는 이러한 COF-10을 합성하여 BET, XRD, FT-IR을 통해 구조를 확인한다. 또한 TPD와 등온 흡착 실험을 통해 실제 암모니아의 흡착능력에 대한 분석을 진행하였다. COF-10는 9.79 mmol/g으로 우수한 암모니아 흡착 능력을 보였으며 암모니아 흡착제로서 활용 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ammonia gas as a hydrogen source has received great attention since the importance of hydrogen gas as a clean energy source increased. However, ammonia is toxic and corrosive to metal such that the absorbent that can store and transport ammonia became an important issue. As an effort to solve this, a large pored covalent organic framework, COF-10 was proposed as an adsorbent for storage and safe transportation of ammonia. During the ammonia adsorption process, boron in COF-10 structure can act as a Lewis acid site and bind with ammonia. In this study, COF was synthesized and its structure was identified by BET, XRD and FT-IR. The adsorption characteristics of COF were investigated by TPD and adsorption isotherm. The COF-10 showed an excellent adsorption capacity for ammonia (9.79 mmol/g) which could be utilized as an ammonia adsorbent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 이 논문에서는 COF-10의 특성을 이용하여 암모니아 흡탈착 거동을 연구함으로써 암모니아의 저장 및 수송에 활용 가능한지에 대한 연구를 수행하는데 연구의 목적을 두고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 암모니아 등온 흡착 및 TPD 분석을 통하여 탈착 거동을 조사하고 이에 대하여 논하고자 한다.

제안 방법

따라서, 이 논문에서는 COF-10의 특성을 이용하여 암모니아 흡탈착 거동을 연구함으로써 암모니아의 저장 및 수송에 활용 가능한지에 대한 연구를 수행하는데 연구의 목적을 두고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 암모니아 등온 흡착 및 TPD 분석을 통하여 탈착 거동을 조사하고 이에 대하여 논하고자 한다.

대상 데이터

흡착제의 성능평가를 위한 암모니아 승온, 탈착 실험을 진행하였다. 기체는 고순도 He (carrier 가스)과 NH₃/He 10% (흡착가스)를 사용하였고, signal은 TCD로 암모니아 흡착량, 흡⋅탈착효율, 암모니아 회수율에 대한 결과 값을 얻을 수 있었다.
먼저 mesitylene과 1, 4-dioxane을 각각 25 mL씩 혼합한 용액을 준비한다. 이 혼합용액에 0.

이론/모형

암모니아 등온 흡착을 진행하여 흡착 거동을 분석하였으며 이는 Figure 7과 Table 4에 나타내었다. 세 가지의 등온 흡착 모델인 Langmuir, Freundlich, Langmuir-Freundlich 등온 모델은 아래의 식에 맞추어 적용되었다. Langmuir 식은 (1)인데 KL이 Langmuir 상수이고 각각 q_m은 7.

성능/효과

XRD, FT-IR, XPS 분석 결과를 통해 성공적으로 3차원 기공 구조를 가진 COF-10이 합성된 것을 확인할 수 있었으며 BET측정을 통해 큰표면적(1708.55 m²/g)을 가지고 있는 것을 확인하였다. 암모니아 흡착을 한 이후에 XPS에 질소 피크가 검출되었고 C 1s core level의 경우 B-C피크의 상대 세기는 감소함을 볼 수 있었다.
또한 TPD분석결과 흡착된 암모니아 대부분이 약 100 ℃ 부근의 낮은 온도에서 탈착이 되는 것으로 보아 암모니아 회수에도 매우 유리한 것을 알 수 있다. 상온에서 진행한 등온 흡착 실험을 통해 등온 흡착 결과를 모사한 결과 Langmuir, Freundlich 및 Langmuir-Freundlich 모두 0.99 이상의 r² 값을 나타내는 것을 알 수 있었고 Langmuir-Freundlich모델이 COF-10의 흡착 거동을 모사하는데 가장 적합한 것을 알 수 있었다. 또한 COF-10이 높은 암모니아 흡착능력(8.
B 1s core level의 경우에도 B-C의 결합 에너지가 감소하는 것을 확인했다. 이로 인해 루이스 염기인 암모니아가 루이스 산점인 붕소에 흡착된 것을 확인할 수 있었다. 또한 TPD분석결과 흡착된 암모니아 대부분이 약 100 ℃ 부근의 낮은 온도에서 탈착이 되는 것으로 보아 암모니아 회수에도 매우 유리한 것을 알 수 있다.

후속연구

99 이상의 r² 값을 나타내는 것을 알 수 있었고 Langmuir-Freundlich모델이 COF-10의 흡착 거동을 모사하는데 가장 적합한 것을 알 수 있었다. 또한 COF-10이 높은 암모니아 흡착능력(8.5 mmol/g, 298 K, 1500 torr)을 가지는 것을 확인할 수 있었으며 이에 따라 COF-10은 암모니아의 저장 및 수송에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	COFs는 어떠한 물적특성을 지녔는가?	COFs는 탄소, 붕소, 산소, 규소가 강한 공유 결합으로 이루어져 있으며 기공을 가진 2D, 3D의 구조를 가진다. 이런 구조들로 인해 COFs는 높은 표면적과 낮은 질량 밀도, 높은 열적 안정성을 가지게 된다[12-17]. 또한 붕소는 COFs의 구조 안에서 루이스 산점으로 작용하여 Lewis 염기인 암모니아를 끌어당겨 흡착을 가능하게 한다.
	본 연구에서 COF-10의 기공 크기 분포는 어떻게 측정되었는가?	55 m2/g으로 큰 비표면적을 가진 것을 확인할 수 있다. 또한 Figure 4(b)에서 나타난 기공 크기 분포에 따르면 기공의 크기는 평균적으로 2.17-2.51 nm로 측정되었다. 기공을 가진 결정구조를 가진 제올라이트 중의 하나인 ETS-4의 비표면적은 240m2/g, ETS-10의 비표면적은 250 m2/g인 것과 비교할 때 COF-10이 더욱 큰 표면적을 가지고 있다고 분석된다[24].
	COFs는 어떠한 구조를 가지는가?	이 중 COFs는 2005년에 처음으로 발표되었다[11]. COFs는 탄소, 붕소, 산소, 규소가 강한 공유 결합으로 이루어져 있으며 기공을 가진 2D, 3D의 구조를 가진다. 이런 구조들로 인해 COFs는 높은 표면적과 낮은 질량 밀도, 높은 열적 안정성을 가지게 된다[12-17].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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