전자적으로 들뜬 상태를 이용한 선택적 CO2 포집과 수집: 이론적 연구
Selective CO2 Capture and Collection Using Electronically Excited-States: A Theoretical Study
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초록
우리는 매년 약 45기가톤(Gt)의 CO2를 대기 중으로 방출하고 있으며, 향후 10년 내에 약 50 Gt으로 증가할 것으로 예상된다. 기존의 CO2 포집 방법은 아민 기반 용액, 이온성 액체, 고체 흡착제, 광촉매 및 전기 촉매를 활용하고 있다. 이러한 방법들로는 2050년까지 누적 CO2 배출량을 1,000 Gt으로 제한하려는 목표를 달성하기 어려울 수 있다. 이 연구에서는 저에너지 CO2를포집하는 새로운 방법을 제시한다. 이 방법은 구리(Cu) 표면에 CO2를 선택적으로 흡착시키는 방식이다. 연구 결과에 따르면, 전자적으로 H2O와 CO2를 들뜨게 했을 때, 들뜬 H2O는 Cu 표면에 흡착되기 어려운 비극성 종으로 전환되는 반면, 들뜬 CO2는 강하게 흡착되는 극성 종이 된다. 따라서 CO2는 Cu와 안정된 착물을 형성할 수 있지만, H2O는 최소한의 흡착만 형성할 수 있게 된다. 이어 빛의 조사를 중단하고 적절한 전압의 전류로 Cu를 Cu2+ 및 Cu2–로 이온화시키면, 착물로부터 CO2를 빠르고 쉽게 탈착시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이 방법은 연도 가스 내 H2O와 CO2를 전자적으로 들뜨게 하여 Cu 표면에 흡착시킴으로써 선택적이고 효율적인 CO2 포집 및 수집이 가능함을 시사한다.
Abstract
We release approximately 45 gigatons (Gt) of CO2 into the atmosphere annually, a figure projected to rise to about 50 Gt within the next decade. Conventional CO2 capture methods primarily utilize amine-based solutions, ionic liquids, solid adsorbents, photocatalysts and/or electrocatalysts. These methods, however, may fall short of the goal to limit cumulative CO2 emissions to 1,000 Gt by 2050. Here, we introduce a novel technique for selective CO2 adsorption on copper (Cu) surfaces, enabling low-energy CO2 collection. The results of this study indicate that electronically exciting H2O and CO2 transforms excited H2O into a non-polar species, which is difficult to adsorb onto the Cu surface, whereas excited CO2 becomes a polar species with strong adsorption affinity. Thus, excited CO2 can form stable complexes with Cu, while excited H2O demonstrates minimal adsorption. Then, by stopping the light irradiation and applying a current of appropriate voltage to ionize Cu into Cu2+ and Cu2–, it is expected that CO2 can be quickly and easily desorbed from the complex. This approach suggests that selective and efficient CO₂ capture and collection from flue gas may be feasible by electronically exciting H₂O and CO₂ in the flue gas and adsorbing them onto the Cu surface.