PAN계 탄소섬유의 활성화와 나노입자 첨착에 의한 흡착성능 향상

Abstract

산업이 고도로 발달함에 따라 인류는 환경오염이라는 피할 수 없는 문제를 해결하여야 하며 이에 따라 국내외적으로 실생활에 편하고 널리 사용할 수 있으며 흡착성능이 우수한 새로운 형태의 기능성 흡착제 연구가 많이 이루어지고 있다. 여러 흡착제중 특히 활성탄소섬유는 가볍고 편리하며, 기존의 활성탄보다 높은 흡착속도와 비표면적을 가지고 있기 때문에 새로운 소재로 부각되고 있고, 나노입자나 금속촉매 등을 첨착하여 대기와의 표면반응을 줄이며 선택적 흡착을 할 수 있게 기능성을 부여하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 탄소섬유를 전처리 및 활성화시켜 여러 등급의 PAN계 ACF를 제조하여 최적의 비표면적을 나타내는 활성화 공정을 알아보았고, 가장 큰 비표면적을 갖는 PAN계 ACF에 대한 표면특성 및 독성가스등에 대한 흡착특성을 분석하였다. 분석결과 전처리 온도는 내려갈수록 비표면적은 증가하였고 활성화 온도는 올라갈수록 비표면적이 증가하는 경향을 나타내었으며, 900℃에서 15분간 전처리 후 900℃, 30분간 활성화 공정을 거친 ACF가 1,204㎡/g의 가장 높은 비표면적을 나타내었고 요오드 및 테러용 독성가스에 대한 흡착시험 결과도 우수하였다. 또한 선택적 흡착을 위한 기능성을 부여하기 위하여 기존의 금속염을 첨착하는 방법을 대체하여 비교적 안정화된 금속나노입자(Ag, Pt, Cu, Pd)를 제조하여 첨착하였고 이에 대한 표면특성 및 SO₂에 대한 흡착특성을 분석하였다. 나노입자 첨착 ACF에 대한 비표면적 분석 결과 금속나노입자의 영향으로 농도가 높을수록 비표면적과 전체 기공부피가 감소하였고 특히 물리적 흡착성능에 영향을 미치는 미세 기공부피가 현저하게 감소하였다. 또한 SO₂ 흡착성능 시험결과 Ag, Pt, Cu 나노입자를 첨착한 ACF는 무첨착 ACF의 파과시간(326초)과 비교할 때 크게 변함이 없었으나 Pd 나노입자를 첨착한 ACF는 파과시간이 925초로 SO₂ 흡착성능이 우수함을 알 수 있었다. 그리고 이들이 대기중에서 산소관능기와의 양적인 표면변화가 SO₂ 흡착성능에 어떠한 영향을 주는지를 알기 위하여 농도 및 건조온도를 달리하여 Pd, Au염을 첨착한 것과 Pd, Au 나노입자를 첨착하여 여러 종류의 첨착 ACF를 제조하였다. 이렇게 제조된 첨착 ACF에 대하여 비표면적등의 표면특성 및 SO₂에 대한 흡착특성을 비교 분석하였으며, 이들이 대기중에서 산소관능기와의 양적인 표면변화등을 알아보기 위하여 시간에 대한 대기중의 표면변화를 XPS를 통하여 분석하였다. 비표면적 분석결과 나노입자 농도가 증가할수록 비표면적은 감소하였고 같은 농도에서는 건조온도가 증가할수록 비표면적은 증가하였으며 특히 미세 기공부피는 총 기공부피 대비 95%에서 30%～43%로 현저하게 감소하였다. 또한 SO₂ 흡착성능 시험결과 Au염과 Pd염을 첨착시킨 ACF와 Au 나노입자를 첨착한 ACF는 무첨착 ACF의 파과시간(326초)과 비교할 때 크게 변함이 없었으나 100ppm의 Pd나노입자를 첨착한 ACF는 파과시간이 880초로 SO₂ 흡착성능이 우수함을 알 수 있었다. 그리고 이들이 대기중에서 산소관능기와의 양적인 변화등을 알아보기 위하여 시간이 지남에 따른 산소관능기의 변화를 XPS를 통하여 분석한 결과 나노입자보다 금속염에서 O1s의 intensity가 크게 증가한 것으로 나타났다. 이는 나노입자보다 금속염의 산화 반응속도가 훨씬 빠르다는 것으로 판단되고 이로 인해 적절한 농도의 Pd 나노입자 첨착이 촉매작용을 유발하여 SO₂에 대한 흡착성능을 증가시키는 원인이라고 추정되며, 계속적으로 여러 흡착질에 대한 선택적 흡착능을 높이기 위하여 나노촉매 연구와 흡착반응 메카니즘을 규명하기 위한 연구가 수행되어져야 한다고 판단된다.; Activated carbon fiber(ACF) have increased the attention for new environmental materials, because of their higher adsorption rate and higher specific surface area than activated carbon. In this study, The carbonization and activation conditions for the PAN-based ACF of various grade were investigated to obtain the optimun activation condition with high surface area. And the surface properties and the absorption performance of toxic gas for terror were examined toward the PAN-ACF with the highest surface area. In the test results which prepared ACFs under various conditions, the more the surface area increased with increase of the activation temperature, but decreased with increase of the carbonization temperature. After carbonization condition(900℃-15min) and activation condition(900℃-30min), we got the ACF with the highest surface area of 1204㎡/g. In the absorption test of iodine and toxic gas for terror, this ACF showed more excellent absorption performance than the existing carbon-based adsorbent. Also, in order to give the function characteristic for a selective absorption, the stable nanoparticles of the Ag, Pt, Cu, Pd were prepared and impregnated on the PAN-based ACF in replacement of the existing method supporting metal catalysis. And it analyzed the surface characteristics and the SO₂ adsorption characteristics. In the SO₂ absorption performance test of the PAN-ACF with the impregnated nanoparticles, it wasn't change breakthrough time of Ag, Pt, Cu nanoparticle supported the PAN-ACF comparing with breakthrough time (326 seconds) of the non supported PAN-ACF. but Pd nanoparticle supported the PAN-ACF was achieved excellent SO₂ absorption performance which has breakthrough time 925 seconds Also, The PAN based active carbon fiber(ACF) with high specific surface area onto which palladium and gold nanoparticles and Pd/Au salts were prepared. Their specific surface area and pore volume, pore structure, the surface change of oxygen groups by passing the time about the PAN-ACFs impregnated with nanoparticles and metal salt were obtained using the BET, TEM, FE-SEM(Field emission-scanning electron microscope), XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) and SO₂ adsorption performances were investigated. In the test result, because of the impregnating process, the micropore volume was mostly decreased from 95.5% to 30.5 ～ 43.7 comparing with the total pore volume. And the surface change of oxygen groups by passing the time was higher the metal salt than the nanoparticles. And SO₂ breakthrough time of PAN-ACFs impregnated with Au nanoparticles and metal salts didn‘t change comparing with breakthrough time of the non-impregnated PAN-ACF but the PAN-ACF impregnated with Pd nanoparticle (100ppm) showed good SO₂ adsorption performance as the breakthrough time of 880sec. These results indicated that the SO₂ adsorption performance depended on the surface change of oxygen groups by the time and the moderate impregnation of Pd nanoparticle on the PAN-ACF caused the increase of the SO₂ adsorption performance through catalytic action.