폐기용 비닐봉투로 탄소 나노튜브 제조하기

폐기용 비닐봉투로 탄소 나노튜브 제조하기

업사이클링(upcycling)

버려지는 폐기용 플라스틱(waste plastic)이 손쉽게 탄소 나노튜브로 전환될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술을 개발한 화학자는 리튬 이온 배터리를 제작하기 위하여 새로운 나노튜브를 적용하는 데 성공했다.

업사이클링(upcycling)이라고 명명되는 이러한 기술은 폐기물을 보다 더 가치 있는 제품으로 전환시키는 기술이다. 폐기물을 업사이클링하기 위한 방법을 찾는 것은 재활용을 독려할 수 있는 방안이라 할 수 있다. 예를 들면 박테리아는 보다 더 고가의 플라스틱인 플라스틱 음료수 병으로 전환될 수 있다. 비닐 봉투를 나노튜브로 전환시키는 기술은 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 소속의 Vilas Ganpat Pol이 개발했으며, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE; high-density polyethylene) 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE; low-density polyethylene)을 가치 있는 다중벽 탄소 나노튜브(multiwalled carbon nanotube)로 전환했다.

Pol은 초산코발트(cobalt acetate) 존재 하에서 2시간 동안 약 700 °C에서 HDPE 또는 LDPE 1 그램을 가열하여 나노튜브를 만들고, 만들어진 혼합물을 점진적으로 냉각시켰다. 600 °C 이상에서 플라스틱 내의 화학 결합은 완전히 분해되고 다중벽 탄소 나노튜브가 촉매 입자의 표면에 성장한다. 좋은 결과를 얻으려면, 플라스틱 중량의 약 1/5 가량의 많은 촉매가 필요하다. 또 이 과정은 후에 손쉽게 회수되기 어렵다. 그러나 Pol은 새로운 방안이 아직까지 나노튜브를 성장시키기 위하여 발견된 방법 중 가장 저렴하고 환경 친화적인 방법 중 하나라고 밝혔다.

다른 방법들은 일반적으로 시스템 뿐 아니라 촉매와 산소의 상호작용을 피하기 위하여 진공을 요한다고 Pol은 밝혔다. 새로운 반응은 약 700 °C에서 탄화수소 공기가 지속적으로 감소되어, 산화물의 형성이 방해받기 때문에 진공이 불필요하다고 Pol은 지적했다. 개별적인 촉매 조각은 새로 성장한 나노튜브 덩어리 내에 갇히게 된다. 그러나 Pol은 나노튜브가 추가적인 촉매 제거 공정 없이 이용될 수 있다는 사실을 보여 주었다.

   
만들어진 코발트(cobalt)를 감싸고 있는 나노튜브를 리튬 이온 배터리의 전극 물질로 사용하여 우수하게 작동하는 것을 확인했다고 Pol은 밝혔다. 연구진이 개발한 탄소 나노튜브의 우수한 용량은 상용화되고 있는 나노튜브보다 더 높았다. Pol은 제작 동안 공기를 줄여줌으로써 일반적으로 규칙적인 구조의 나노튜브에서 관찰되는 약간의 결점을 줄일 수 있을 것으로 믿고 있다.

또 코발트가 배터리에서 이온의 반응을 돕는 촉매로 작용하는 코발트 산화물(cobalt oxide)로 전환되어 전류를 흐르게 하기 때문에, 코발트 불순물은 나노튜브가 리튬-공기 배터리(lithium-air battery)에 이용되기 적당하게 만들어준다고 Pol은 지적했다. Pol은 리튬 이온 배터리와 리튬 공기 배터리 모두에서 코발트를 함유하는 나노튜브의 이용과 관련한 특허를 획득했다. 코발트는 불순물이 아니라 유용한 물질이라고 Pol은 밝혔다.

영국 레딩 대학교(University of Reading) 소속의 Geoffrey Mitchell은 플라스틱 재활용 분야 전문가이다. Mitchell은 새로운 기술이 플라스틱 폐기물을 고부가 가치의 전자 재료로 만들어주는 흥미로운 기술이라고 밝혔다. 그러나 Mitchell은 회수할 수 없는 촉매로 상대적으로 고가의 코발트를 사용하는 것이 이 시스템의 규모가 커질 경우 문제가 될 수 있다고 생각하고 있다. Pol은 Mitchell의 의견에 동의했지만 그가 제안한 나노튜브를 사용하는 배터리 유형이 이미 코발트를 재활용하고 있으며, 따라서 금속은 궁극적으로 회수될 수 있을 것이라고 주장했다. 공정 중에 촉매를 남겨 두는 것은 다른 가치 있는 탄소 제품을 산출할 수 있으며 2-10 마이크로미터 사이의 탄소 구체는 프린터 잉크로 사용될 수 있다고 Pol은 밝혔다.

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Plastic bags recycled into nanotubes

Giving plastic bags a second life (Image: Jeff J Mitchell/Getty)

Waste plastic from "throwaway" carrier bags can be readily converted into carbon nanotubes. The chemist who developed the technique has even used the nanotubes to make lithium-ion batteries.

This is called "upcycling" – converting a waste product into something more valuable. Finding ways to upcycle waste could encourage more recycling: for instance, bacteria can convert plastic drinks bottles into a more expensive plastic.

The carrier-bag-to-nanotube technique was developed by Vilas Ganpat Pol at the Argonne National Laboratoryin Illinois and converts high or low-density polyethylene (HDPE and LDPE) into valuable multiwalled carbon nanotubes.

Bag baker

Pol made the nanotubes by cooking 1-gram pieces of HDPE or LDPE at 700 °C for 2 hours in the presence of a cobalt acetate catalyst and then letting the mixture cool gradually. Above 600 °C the chemical bonds within the plastic completely break down and multiwalled carbon nanotubes grow on the surface of the catalytic particles.

A lot of catalyst is needed to get good results – about a fifth of the weight of the plastic being converted – and it cannot easily be recovered afterwards. But Pol says this is still one of the cheapest and environmentally friendly ways yet found to grow nanotubes.

"Other methods generally require a vacuum to avoid oxygen interaction with the catalyst as well as with the system," he says. "In my new reaction there is no vacuum – the formation of oxide is inhibited due to the presence of a continuous reducing hydrocarbon atmosphere at 700 °C."

Nanotube nuggets

Individual pieces of the catalyst become trapped inside forests of newly grown nanotubes. But Pol has shown the nanotubes can be used as is without further processing to cut them free.

"I have used the as-prepared cobalt-encapsulated nanotubes as an anode material for lithium-ion batteries and they work fantastically," he says. "The specific capacity of my carbon nanotubes is higher than commercial nanotubes." He thinks that might be down to slight imperfections in the usually-regular structure of the nanotubes, created by the reducing atmosphere during fabrication.

The cobalt impurities also make the nanotubes suitable for use in lithium-air batteries, because the cobalt is converted to cobalt oxides that perform as catalysts to help the reactions of ions in the battery that let current flow, says Pol. He has patented the use of the cobalt-containing nanotubes in both lithium-ion and lithium-air batteries: "The cobalt is not an impurity, it is an asset," he says.

Recycling jigsaw

Geoffrey Mitchellat the University of Reading in the UK is an expert in recycling plastic. He thinks the new technique is an "interesting part of the jigsaw" of recycling plastic waste to make high-value electronic materials.

But he thinks the use of relatively expensive cobalt as a non-recoverable catalyst might be problematic if the system is ever to be scaled up. Pol agrees, but adds that the type of batteries he proposes using the nanotubes for are already recycled for their cobalt, so the metal would ultimately be recovered.

Leaving the catalyst out of the process altogether yields another carbon product of potential value, though: carbon spheres between 2 and 10 micrometres across that can be used in printer ink, says Pol.

Journal reference: Journal of Environmental Monitoring, DOI: 10.1039/b914648b

Source : KISTI, newscientist