열플라즈마에 의한 이산화탄소의 분해시 합성한 산화아연 나노입자에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

이산화탄소는 온실가스로써 지구상에 존재하는 모든 생물에 의해 배출되며 산업화 이후 급격한 농도 증가에 의해 다양한 환경문제를 초래하고 있다. 각종 기후 협약 및 탄소배출권 등에 의한 규제로 인해 이산화탄소를 처리하는 다양한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구는 열플라즈마를 이용하여 이산화탄소를 분해하고 분해 시 생성되는 산소를 원료로 하여 산화아연 나노입자를 합성하는 실험을 수행하였다.

열플라즈마를 이용한 이산화탄소의 분해 시 생성되는 물질을 확인하기 위하여 온도에 따른 이산화탄소의 열역학적 평형을 계산하였다. 또한 이산화탄소의 분해에 미치는 영향을 확인하기 위하여 플라즈마 발생 전력, 플라즈마 발생 가스, 분해가스인 이산화탄소의 유량 그리고 반응관의 내경을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 플라즈마 발생 전력의 양이 증가할수록 이산화탄소의 전환율이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 이산화탄소의 유량이 증가할수록 전환율은 감소하였다. 플라즈마 발생 가스로 아르곤을 사용한 경우와 아르곤에 질소를 소량 첨가한 경우, 이원자 분자인 질소를 첨가한 경우 동일한 전력에서 더 높은 이산화탄소 전환율을 나타내는 것을 확인하였다. 급냉이 이산화탄소에 미치는 영향을 확인하기 위하여 반응관의 내경을 다르게 하여 실험을 수행한 결과 반응관 내경이 증가할수록 이산화탄소의 전환율이 감소하는 것을 확인하였다.

이산화탄소가 분해 될 때 발생하는 산소를 이용하여 산화아연을 합성한 결과, 산소를 이용하여 합성한 산화아연과 마찬가지로 높은 결정성을 갖는 산화아연이 합성된 것을 확인하였다. 합성된 산화아연을 X-ray 회절분석(XRD)을 통해 분석한 결과, 이산화탄소의 유량이 증가할수록 미 반응된 아연의 peak intensity가 감소함을 확인하였다. 원료 물질인 아연분말을 운반하는 운반가스로 아르곤, 이산화탄소, 산소를 각각 사용한 결과, 아르곤과 이산화탄소를 이용해 합성한 경우와 다르게 산소를 이용하여 합성한 산화아연의 XRD결과는 거의 모든 아연이 산화아연으로 합성된 것이 확인되었다.

반응관 내경을 변화하여 산화아연을 합성한 결과, FE-SEM과 FE-TEM에서 확인한 산화아연 나노 입자의 형태는 구형에서 점차 입자의 길이가 증가하여 막대형, 하나의 중심에서부터 여러 개의 다리가 자라는 multi-pod형 또는 네 개의 다리가 자라는 tetra-pod형의 산화아연이 관찰되었다.
또한 합성된 산화아연의 자외선과 가시광선 영역에서의 광흡수량을 확인한 결과 구형 입자보다 막대형이나 multi-pod 형 혹은 tetra-pod형의 산화아연이 더 높은 흡광도를 나타내었고 장파장 영역으로의 이동이 관찰되었다. 한편 150W Xenon lamp를 이용하여 모델 오염물질인 Methylene blue 수용액을 분해하였다. 시간에 따른 용액의 색을 관찰한 후 산화아연이 광촉매로 작용하여 methylene blue를 분해하는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 이산화탄소와 온실가스 1
• 1.2 열플라즈마 공정 3
• 1.3 산화아연 7
• 제2장 실험 10
• 2.1 실험장치 10
• 2.2 실험방법 12
• 2.2.1 열플라즈마 공정에 의한 이산화탄소의 분해 12
• 2.2.2 이산화탄소 분해를 이용한 산화아연의 합성 14
• 2.3 합성된 산화아연 나노입자의 특성분석 16
• 제3장 결과 및 고찰 19
• 3.1 열플라즈마를 이용한 이산화탄소의 분해 19
• 3.1.1 온도에 따른 이산화탄소의 열역학적 평형 조성 19
• 3.1.2 플라즈마 발생 전력과 이산화탄소유량 증가에 따른 이산화탄소의 분해 22
• 3.1.3 질소 첨가가 이산화탄소 분해에 미치는 영향 24
• 3.1.4 반응관 내경에 따른 이산화탄소의 분해 26
• 3.2. 이산화탄소를 이용해 합성한 산화아연 나노분말 29
• 3.2.1 반응가스에 따른 산화아연의 합성 29
• 3.2.2 이산화탄소 유량변화에 따른 산화아연의 합성 32
• 3.2.3 운반가스가 산화아연 합성에 미치는 영향 34
• 3.2.4 반응관 내경에 따른 산화아연의 합성 36
• 3.3 합성된 산화아연의 광학적 특성 41
• 제4장 결론 44
• 참고문헌 46