비표면적 측정기를 이용한 이산화탄소 흡착 분석의 특징
BET를 이용한 CO₂ 흡착 분석 결과의 특징
BET 분석에 다른 가스를 사용할 수 있을까?
일반적인 BET 분석은 N₂, Ar 등의 불활성 기체를 이용하여 시료의 비표면적 및 기공 구조를 파악할 수 있는 분석법 입니다. 하지만 해당 분석 기기를 불활성 기체가 아닌 CO₂ 가스를 사용해 흡착하는 분석에 응용하여 소재의 이산화탄소 흡착 성능을 개략적으로 확인할 수 있습니다.
이번 포스트에서는 CO₂ 가스를 활용한 BET 기기 분석에 대해 간단히 설명드리고 많은 분들이 문의하시는 내용을 정리해 보겠습니다.
→ 링크: MCC BET 분석 요금과 방법 확인하기
CO₂를 이용해서 BET 측정을 하는 이유
잘 알고 계신 것처럼 N₂나 Ar 가스를 사용한 BET 분석은 비표면적과 기공에 대한 정보를 도출할 수 있습니다. 하지만 CO₂ BET는 그렇지 않은데요. 이는 CO₂ 가스가 불활성 기체가 아니기 때문에 BET 이론 적용에 어려움이 있기 때문입니다. 그렇다면 어떤 정보를 얻을 수 있을까요?
CO₂ BET 측정을 통해 확인할 수 있는 가장 중요한 정보는 정적인 상태에서의 CO₂ 흡착능 입니다. 산업화 이후, 화석 연료 사용이 확대되면서 이산화탄소 배출이 지속적으로 지구 환경에 부담을 야기하고 있습니다.
그 로인하여 CO₂를 제거할 수 있는 물질에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있고, 특히 다공성 물질로 CO₂ 분자를 포집하는, 이른바 이산화탄소 흡착제가 개발되어 오고 있습니다. (최근에는 Nature 저널에도 관련 논문이 게재되어 화제가 되었습니다.)
[참고링크: https://youtu.be/HA6RMAWE4x4?si=50YX9hnWWX2TDnbV]
하지만 연구의 화제성에 비해 소재의 CO₂ 흡착능을 쉽게 파악할 수 있는 분석 방법이 많지 않아 더욱 BET 분석이 CO₂ 흡착 실험을 위해 많이 활용되고 있는 것입니다. 저희 MCC에서도 DVS Carbon, BET를 이용한 탄소 포집 성능에 대한 분석 문의가 잦은 편인데요. 이러한 내용을 정리하면서 정확히 알지 못했던 정보들을 설명해 드리고 자 합니다.
CO₂를 이용한 BET 측정 시 표면 특성을 확인할 수 없는 이유
많은 분들이 ‘비표면적(BET) 측정기를 이용한 이산화탄소 흡착’을 CO₂ BET라고 편의상 부릅니다. 하지만 이름과 다르게 일반적인 비표면적은 측정할 수 없다는 특징이 있는데요. 그 이유는 CO₂ 가스의 흡착은 일반적인 N₂, Ar 등을 사용한 흡착 이론을 적용하기 어렵기 때문입니다.
BET 이론의 전제 중 ‘흡착제와 흡착질의 상호작용은 약한 물리적 결합 (발데르발스 힘, (van der Waals force)이다‘라는 가정이 있습니다.
이 가정을 충족 시키기 위해서는 ‘물리적’인 흡착이 이루어져야 하지만, CO₂는 불활성 기체가 아니기 때문에 흡착제 표면에서 화학적으로 흡착할 가능성이 있습니다. 이런 경우 이론을 적용하기 적합하지 않습니다.
또한, BET 이론은 다층 흡착 이론을 기반으로 ‘흡착질 분자 간 상호작용은 인접한 층 사이에서만 발생한다’는 가정을 충족해야 하지만 CO₂ 분자는 분자 사이의 정전기적 상호작용이 강하여 인접하지 않은 층 사이에서도 분자 간 상호작용이 가능할 수 있습니다.
이와 같이 CO₂ 가스는 BET 이론을 만족시킬 수 없어 비표면적과 기공 정보를 얻기 어려운 것입니다.
이러한 한계로 인해 CO₂를 이용한 흡착 분석은 아래의 이미지와 같은 흡착등온선(Isotherm linear plot)을 얻는데 주목적이 있고, 일정한 온도에서의 상대 압력에 따른 흡착 양을 간단하고 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한 분석 시 대부분 Pure CO₂를 사용하므로 정적으로 흡착했을 때의 최대 흡착 양을 확인할 수 있어 시료 간 흡착 성능을 비교하는 데 활용하기 좋습니다.
CO2 흡착곡선
이번 포스팅에서는 CO₂ BET의 특징에 대해 확인했습니다. 이후의 포스팅에서는 DVS Carbon과 BET를 통한 가스 흡착 분석의 차이점에 대해 소개하는 시간을 가져보겠습니다.
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