인천대학교 인디고클랫폼 인천대학교 기술지원허브

표면 기능 조절이 가능한 2차원(2D) 나노소재를 고분자 매트릭스에 통합하는 것은 고성능 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM) 개발을 위한 유망한 방안을 제시합니다. 이 중 흑연질 탄소 질화물(g-C3N4)은 고유 나노기공을 통해 기체 수송을 촉진하고 멤브레인 투과도를 향상시킵니다. 그러나 CO2 투과도는 향상되지만, 순수한 g-C3N4는 CO2/CH4 선택도를 저하시키는 경우가 많습니다. 이러한 상충 관계를 해소하기 위해, 철 도핑된 g-C3N4를 높은 자유 부피와 우수한 기체 확산 특성을 가진 고유 미세기공 폴리머(PIM-1)에 도입했습니다. 철 도핑은 g-C3N4의 CO2 친화도를 높이고 CO2 분자와의 상호작용을 강화하여 투과도와 선택도를 모두 향상시켰습니다. 그 결과, Fe-g-C3N4/PIM-1 MMM은 향상된 CO2 투과도와 CO2/CH4 선택도를 보였으며, 이는 CO2 분리 응용 분야에 대한 잠재성을 시사합니다. PIM-1 매트릭스에 0.5 wt%의 Fe 도핑된 g-C3N4를 첨가한 결과, 원상태 PIM-1 대비 CO2 투과도가 40.3% 증가했고, 도핑되지 않은 g-C3N4 기반 MMM 대비 15.2% 향상되었습니다. 도핑되지 않은 g-C3N4는 CO2/CH4 선택도를 감소시켰지만, Fe 도핑은 그 반대 효과를 나타내어 도핑되지 않은 시스템 대비 선택도를 6.3% 향상시켰습니다. 특히, Fe-g-C3N4/PIM-1 MMM은 CO2/CH4 분리에 대한 2008 Robeson 상한선을 초과했습니다. 또한, 이 막은 뛰어난 기계적 강도와 노화 방지 및 가소화 방지 특성을 나타내어 전체적으로 순수한 PIM-1보다 우수한 성능을 보였습니다.