이산화탄소와 아산화질소 혼합가스로 합성된 하이드로퀴논 클러스레이트에서 공비적 객체거동

Abstract

이산화탄소와 아산화질소는 기후 변화에 영향을 주는 악명 높은 온실가스이다. 환경 보호의 관점에서 이 두 가스들은 반드시 회수 혹은 제거되어야 한다. 본 연구에서는 온실가스의 저장 및 회수를 위해 CO2-N2O 가스 혼합물로 형성된 β-HQ 클라스레에트 사용의 잠재적인 타당성을 평가한다. 합성된 β-HQ 클러스레이트의 결정구조와 객체 분자 거동 측정을 위해 XRD, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, solid-state NMR, SEM 등 분광분석 장비를 이용하였다. 결과적으로 순수한 α-HQ이 모든 CO2-N2O 혼합가스(100, 80, 50, 20, 0 % CO2)와 반응할 때, 객체분자를 포접할 수 있는 구조인 β-형으로의 구조변화가 일어났다. 또한, β-HQ 클러스레이트의 가스 저장량과 동공점유율은 각각 60.2-62.3 cm3g-1 및 0.82-0.84인 것으로 확인되었다. 선택도 측정 결과에 따르면 β-HQ 클러스레이트 동공 내에서 CO2와 N2O는 공비적 객체 거동을 나타내며 CO2와 N2O는 β-HQ 클러스레이트 동공 내에서 선택적으로 포접이 되지 않는다는 것을 의미한다. β-HQ 클러스레이트 동공 내 포접되어 있는 CO2와 N2O의 비율은 초기 합성 비율과 거의 일치하며 이는 CO2-N2O가 포접되어 있는 β-HQ 클러스레이트는 모든 혼합 가스비율에서 공비적 특성을 가지는 클러스레이트를 의미한다. 또한 형성 역학 실험을 통하여 공비적 특성을 가지는 β-HQ 클러스레이트는 CO2가 포접되어 있는 β-HQ 클러스레이트와 N2O가 포접되어 있는 β-HQ 클러스레이트의 매우 유사한 형성 역학에 기인한다는 것을 입증하였다. 본 연구결과는 클러스레이트 화합물의 주체-객체 및 객체-객체 상호작용과 클러스레이트 기반 온실가스 저장 및 회수기술에 대한 유용한 지식을 제공할 것이다.

Both CO2 and N2O are greenhouse gases (GHGs) notorious due to their impact on climate change. They must be captured and recovered from the perspective of environmental protection. Herein, we estimate the potential feasibility of using hydroquinone (HQ) clathrate formed from CO2-N2O gas mixtures for storage and recovery of GHGs. Structural characteristics and guest-occupation behaviors of the HQ samples reacted with CO2-N2O gas mixtures at room temperature were investigated using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, and solid-state NMR. The combined results via these measurements indicate that all the HQ samples formed from CO2-N2O gas mixtures (100, 80, 50, 20, 0 % CO2) were β-HQ clathrate structures that can contain guest molecules. The gas storage capacity of the β-HQ clathrates and the cage occupancy of guest molecules were found to be 60.2–62.3 cm3g−1 and 0.82–0.84, respectively. Selectivity measurements indicate that the β-HQ clathrate reveals azeotropic-like behavior for all gas compositions, showing no preferential occupation by CO2 or N2O in the cages of β-HQ clathrate. The compositions of CO2 and N2O in the β-HQ clathrates are very close to the initial gas compositions. This indicates that this CO2-N2O-loaded β-HQ clathrate is the first example of an all-composition azeotropic clathrate. Kinetics experiments demonstrate that the azeotropic β-HQ clathrates are due to very similar formation kinetics of β-HQ clathrates with CO2 and with N2O guest molecules. These results provide useful knowledge of host–guest and guest–guest interactions in clathrate compounds and novel applications of β-HQ clathrates. These will be adopted to develop further a clathrate-based GHG storage and recovery technology.