중금속 흡착 가능 및 복합소재 강도와 가스 차단성 향상
향후 차세대 에너지 저장 제품 등에 응용
[기계신문] 최근 전 세계적으로 석유 정제과정에서 발생하는 대량의 황 폐기물이 환경 문제로 떠오르고 있다. 원유에 남아있는 황은 산소와 결합하여 황산화물을 발생시키고 대기 중의 수분과 결합하여 산성비 등 다양한 환경 문제의 원인이 되고 있다. 또한, 전 세계적으로 황 생산량 중 상당량이 폐기물로 축적되고 있으며 현재까지 마땅히 처리할 수 있는 방법이 없는 상황이다.
국내에서도 대부분의 황 폐기물을 중국 등에 수출하고 있지만, 중국의 정유산업이 고도화되면 이 수출량 또한 줄어들 가능성이 있다. 이에 전 세계적으로 황을 활용하기 위한 소재 및 공정 연구가 진행되고 있지만, 상용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서 다량의 황을 효과적으로 사용하고 고부가가치화할 수 있는 연구개발이 시급한 상황이다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터 유남호 박사 연구팀이 황을 포함한 그래핀을 제조하는 공정을 개발해 화제다. 개발된 황을 포함한 그래핀은 수은을 포함한 중금속 흡착이 가능하고, 복합 소재의 강도와 가스 차단성이 향상되었으며, 사용된 황은 다시 회수하여 재사용이 가능하다.
꿈의 소재라 불리는 그래핀은 흑연을 산화시킨 후 다시 환원시켜 제조할 수 있다. 이때 환원을 돕는 환원제가 필요한데, KIST 연구팀은 150도 이상의 온도에서 녹은 황이 효과적인 환원제 역할을 할 수 있다는 점을 이용하였다. 황을 환원제로 사용함으로써 별도의 환원제 없이 그래핀을 제조할 수 있었다. 또한, 그래핀을 제조하고 남은 황은 재사용이 가능하고, 다시 회수할 수 있었다.
이렇게 제조된 그래핀은 유기용매 상에서 분산 특성이 개선되고 수용액에 있는 중금속 흡착특성이 향상될 뿐 아니라 전기 전도도 또한 향상되는 특징을 보였다. 이렇게 제조된 그래핀을 이용하여 제조된 복합재료는 기존의 고분자 소재에 비해 기계적인 강도가 크게 증가하고 필름의 가스 차단성 또한 획기적으로 향상되는 특성을 보였다.
연구팀이 제조한 그래핀은 중금속을 흡착하는 능력이 뛰어나고 유기용매에서 분산성이 뛰어나다. 수용액 내에서 수은 이온을 94% 이상 흡착하여 제거할 수 있고 복합소재 제조 시 기존 소재보다 150% 이상 강도가 향상되었으며 복합소재의 가스 차단성 또한 95% 이상 향상됐다.
이번에 황으로 개발한 그래핀은 수은을 포함하는 중금속 제거용 필터, 자동차 및 항공용 부품 소재, 전자기기 부품 그리고 에너지 저장용 배터리 제품을 개발하는데 응용 가능하다.
KIST 유남호 박사는 “이번 연구결과는 황을 유용하게 활용할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 황이 가지고 있는 고유한 특성을 이용하여 고부가가치의 새로운 그래핀 소재를 제조하는 방법을 제시하고, 동시에 복합소재 및 필터 그리고 에너지 저장 관련 응용이 가능하고 파급효과가 큰 기술이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST의 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 우주핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ 최신호에 게재되었다.
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