플래시 줄 가열(Flash Joule Heating)은 플라스틱을 임플란트용 나노물질로 재활용합니다.

2023년 2월 17일 Sean Whooley 작성

플래시 줄 가열(Flash Joule Heating)을 이용하면 혼합된 폐플라스틱으로부터 탄소나노튜브와 탄소나노섬유를 만들 수 있는데, 이는 기존 생산공정보다 효율이 90% 이상 높다. 나노튜브 직경은 사용되는 전력이나 촉매를 변경하여 제어할 수 있습니다. (이미지 제공: Tour lab/Rice University)

라이스대학교(Rice University)의 과학자들은 재활용된 폐플라스틱을 다양한 용도로 사용할 수 있는 하이브리드 탄소 나노물질로 바꾸는 방법을 개발했습니다.

연구원들은 2050년까지 플라스틱 생산량이 3배로 증가할 것으로 예상하고 있으며, 플라스틱 폐기물은 지난 20년 동안 전 세계적으로 2배로 늘어났습니다. 대부분의 폐기물은 결국 매립되거나 소각되거나 잘못 관리된다고 경제협력개발기구(OECD)를 인용해 말했다.

보도 자료에 따르면 일부 추정에 따르면 폐기물의 5%만이 재활용되는 것으로 나타났습니다.

Rice 대학원생이자 연구의 주요 저자인 Kevin Wyss와 팀은 이러한 낭비를 최대한 활용하는 새로운 방법을 찾았습니다. Advanced Materials에 발표된 이 연구는 화학자 James Tour 연구실의 Wyss와 동료들이 플래시 줄 가열을 사용하여 플라스틱을 귀중한 탄소 나노튜브 및 하이브리드 나노재료로 바꾸는 방법을 보여주었습니다.

Wyss는 “우리는 그래핀과 상업적으로 이용 가능한 탄소 나노튜브 모두를 능가하는 하이브리드 탄소 나노물질을 만들 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

이러한 나노물질은 낮은 밀도와 넓은 표면적을 통해 강도와 화학적 견고성을 제공합니다. 전도성 및 광대역 전자기 흡수 능력이 결합되어 의료, 산업 및 전자 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

"이번 결과에서 정말 흥미로운 점은 끝에 약간의 그래핀이 부착된 탄소 나노튜브를 만들 수 있다는 것입니다."라고 Wyss는 말했습니다. “이 새로운 하이브리드 나노물질의 구조는 콩나물이나 막대사탕과 유사하다고 생각하시면 됩니다. 보통은 만들기가 정말 어려운데, 폐플라스틱으로 만들 수 있다는 사실이 정말 특별해요.”

연구진에 따르면 이 나노물질의 구조는 성능을 향상시킨다.

Wyss는 스웨터에서 실을 뽑아내는 것과 비교됩니다. "곧고 매끄러운" 끈을 당기면 아주 쉽게 빠져서 짜임새가 망가질 수 있습니다. 이러한 탄소 나노튜브의 끝에 그래핀 덩어리가 부착되어 있으면 제거하기가 더 어려워져 복합재가 강화됩니다.

“이렇게 생각할 수도 있습니다. 파편이 생기면 쉽게 빼낼 수 있습니다. 하지만 낚시 바늘처럼 끝에 곡선이 있는 물체에 찔리면 꺼내기가 훨씬 더 어렵습니다.”라고 Wyss는 설명했습니다.

연구원들은 3,100켈빈(화씨 약 5,120도) 이상의 온도에서 플라스틱을 "플래시"합니다. 그들은 재료를 작은 조각으로 갈아서 철을 추가하고 전도성을 위해 다른 탄소(예: 숯)를 혼합합니다.

연구원들에 따르면, 플래시 줄 가열은 기존 공정에 비해 "상당히" 더 에너지 효율적인 이점을 제공합니다. 기존 나노튜브 생산방식에 비해 환경친화적인 이점도 더 크다고 한다.

“플라스틱을 재활용하는 것은 단지 새로운 플라스틱을 생산하는 것보다 더 많은 비용이 듭니다.”라고 그는 덧붙였습니다. “플라스틱을 재활용하는 데에는 경제적 인센티브가 거의 없습니다. 이것이 바로 우리가 업사이클링, 즉 가치가 낮은 폐기물을 더 높은 금전적 가치나 사용 가치가 있는 것으로 바꾸는 방법으로 전환한 이유입니다. 폐플라스틱을 더 가치 있는 것으로 바꿀 수 있다면 사람들은 버려진 플라스틱을 처리하는 방식에 책임을 지고 돈을 벌 수 있습니다.”

Wyss는 “현재 사용되고 있는 상업적인 탄소 나노튜브 생산 방법과 비교하여 우리의 방법은 약 90% 더 적은 에너지를 사용하고 90%-94% 더 적은 이산화탄소를 발생시킵니다.”라고 말했습니다.