[요약]
- 각종 플라스틱 폐기물이 환경과 인간의 건강을 위협하고 있는 가운데, UNIST는 이를 활용할 수 있는 ‘탄소나노튜브(CNT)’ 생산 공정을 개발
- 이번 개발로 마스크를 재활용하여 CNT를 생산하는 업사이클링 기술을 통해 플라스틱 폐기물을 효과적으로 재활용하는 것이 가능해질 전망
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울산과학기술원(UNIST) 안광진 에너지화학공학과 교수팀은 마스크 폐기물로부터 탄소나노튜브를 생산하고, 리튬이온전지 양극 도전재로 적용하는 공정을 개발
- 플라스틱의 생산과 소비가 증가함에 따라 대량의 플라스틱 폐기물이 발생하여 환경과 인간의 건강을 심각하게 위협
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- 코로나19 팬데믹으로 인해 전 세계적으로 마스크 폐기물이 급격히 증가
- 월간 마스크 소비량은 1,290억 개로 추산되고 있으며, 일회용 마스크는 매립되거나 소각되어 환경을 오염시키는 상황
- 코로나19 팬데믹으로 인해 전 세계적으로 마스크 폐기물이 급격히 증가
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- 때문에 플라스틱 폐기물을 매립이나 소각시키기 보다는, 재활용하기 위한 새로운 기술이 필요
- 플라스틱의 재활용 방법은 기계적 방법과 화학적 방법으로 분류할 수 있으며, 기계적 재활용은 화학적 구조를 변경하지 않고 도로 건설자재, 자동차 부품 등 저부가가치 제품을 생산
- 가스화, 열분해 및 해중합을 포함하는 화학적 재활용은 플라스틱 폐기물을 연료 및 화학물질의 공급원료로 전환하는 유망한 기술
- 열분해는 산소 없이 고온에서 폴리머를 더 작은 분자로 분해하여 액체 오일 및 가스 제품을 얻을 수 있지만, 고온에서의 열분해는 비선택적이고 추가적인 처리가 필요한 오일, 탄화수소 가스, 왁스 및 숯으로 이뤄진 복잡한 혼합물을 생성
- 때문에 플라스틱 폐기물을 매립이나 소각시키기 보다는, 재활용하기 위한 새로운 기술이 필요
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- 업사이클링(upcycling)은 재활용을 통해 생산된 원자재를 고부가가치 제품으로 전환하는 기술
- 열분해로 발생하는 탄화수소 가스는 고부가가치 탄소소재와 수소로의 전환이 가능
- 이미 여러 연구에서 플라스틱 폐기물을 탄소나노튜브(CNT)로 전환하면 활용 가치가 높다는 결과 존재
- 업사이클링(upcycling)은 재활용을 통해 생산된 원자재를 고부가가치 제품으로 전환하는 기술
- 최근 CNT는 리튬이온전지(LIB) 양극재의 전도성 첨가제로 주목
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- CNT는 우수한 열 및 전기 전도성과 높은 기계적 강도로 인해 산업계에서 널리 사용되어 왔으며, CNT를 합성하는 일반적인 방법에는 화학기상 증착(CVD), 아크 방전 및 레이저 절제 등이 포함
- CVD는 간단하고 저렴하며 대규모 생산에 적합하기 때문에 가장 널리 사용되는 공정
- Fe, Co, Ni 담지 촉매를 이용한 열분해-CVD 공정은 플라스틱 열분해 시 생성되는 다양한 탄화수소 가스를 활용하여 플라스틱 폐기물로부터 고품질 CNT를 제어 가능한 방식으로 얻는 데 효과적
- CNT는 우수한 열 및 전기 전도성과 높은 기계적 강도로 인해 산업계에서 널리 사용되어 왔으며, CNT를 합성하는 일반적인 방법에는 화학기상 증착(CVD), 아크 방전 및 레이저 절제 등이 포함
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- CNT는 높은 종횡비, 넓은 표면적, 낮은 전기 저항으로 인해 LIB 양극재의 전도성 첨가제인 흑연을 대체할 이상적인 후보 중 하나
- 특히 종횡비가 높다는 것은 CNT가 흑연보다 훨씬 적은 함유량으로도 쉽게 전도성 네트워크를 형성한다는 것을 의미
- CNT는 높은 종횡비, 넓은 표면적, 낮은 전기 저항으로 인해 LIB 양극재의 전도성 첨가제인 흑연을 대체할 이상적인 후보 중 하나
- 본 연구에서는 고부가가치 CNT 생산을 위해 플라스틱 열분해 가스의 업사이클링을 수행
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- 전체 제작 공정은 탄화수소가 풍부한 가스를 생성하기 위한 플라스틱 폐기물의 열분해, CNT를 생성하기 위한 CVD, 음극 재료의 준비, LIB 제조로 구성
- 고순도 CNT의 대량 생산을 위해 PP 기반 안면 마스크를 공급원료로 선택하여 PP가 풍부한 플라스틱 원료와 다양한 플라스틱 혼합물을 함유한 혼합 고형폐기물연료(SRF)를 비교
- CoMo/MgO 또는 FeMo/MgO 존재 하에서 플라스틱 열분해 가스를 사용하여 CVD를 수행하였고, CNT의 수율 및 특성은 플라스틱 폐기물 및 촉매의 종류와 상관관계가 있음을 발견
- LIB의 전도성 첨가제로서 제조된 CNT의 전기화학적 특성을 상업적으로 이용 가능한 흑연 및 CNT의 전기화학적 특성과 비교
- 전체 제작 공정은 탄화수소가 풍부한 가스를 생성하기 위한 플라스틱 폐기물의 열분해, CNT를 생성하기 위한 CVD, 음극 재료의 준비, LIB 제조로 구성
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- 실험 결과, FeMo/MgO 촉매와 마스크 열분해 가스의 조합으로 가장 높은 탄소 수율(516.7wt%)과 우수한 CNT 순도(97.9wt%)를 달성
- 마스크 열분해 가스를 사용하여 생성된 재료에는 고순도 CNT가 포함되어 있었고, 전기화학적 측정 결과에 따르면 MWCNT 비율이 높은 FeMo-CNT는 상업용 흑연 및 CNT에 비해 우수한 전기 전도 성능 보유
- 실험 결과, FeMo/MgO 촉매와 마스크 열분해 가스의 조합으로 가장 높은 탄소 수율(516.7wt%)과 우수한 CNT 순도(97.9wt%)를 달성
[시사점]
- 이번 연구를 통해 배터리 음극에 적용하기에 적합한 CNT를 생산하기 위한 플라스틱 폐기물의 열분해-CVD 공정과 더불어 CNT가 LIB에서 작은 공간을 차지하면서 활물질 로딩을 개선하여 셀 용량을 늘리는 공정 개발에 기여할 수 있음을 확인
- 따라서 향후 해당 공정에 대한 스케일 확장과 산업적 구현 가능성을 파악하기 위해 경제성·환경성 평가를 진행할 계획
[출처]
- 조선비즈, 마스크 폐기물 재활용한 ‘탄소나노튜브’로 이차전지 성능 높인다, 2023.10.18.
- Green Chemistry, Upcycling of plastic waste into carbon nanotubes as efficient battery additives, 2023.9.11.
