미 와이오밍 대학 연구팀, 석탄을 활용하는 새로운 접근법 제시
[데일리포스트=김정은 기자] 지질시대의 식물이 퇴적·매몰된 후 열과 압력의 작용을 받아 변질 생성된 흑갈색의 가연성 광물인 '석탄'은 오랫동안 중요한 연료로 전세계 산업을 지탱해 왔다. 그러나 미래 에너지원으로 신재생 에너지가 주목받고 확대되는 추세 속에 석탄의 가치는 날로 하락하고 있다.
미국 와이오밍 대학 연구팀은 전자레인지를 사용해 석탄을 보다 가치가 높은 흑연으로 변환하는 방법을 개발했다. 연구 논문은 학술지 '나노-구조&나노-물체(Nano-Structures & Nano-Objects)'에 게재됐다.
흑연은 석탄의 주요 구성물이기도 탄소(carbon)로 이루어진 원소 광물이다. 가장 대표적으로 연필과 샤프심의 재료로 사용되며, 전기 양도체의 원료 및 화학 공정에서의 내열성 장비 재료로 쓰이기도 한다. 층상을 이루는 결정 구조 덕분에 매끄러워 감마제와 산업용 윤활제로도 활용되며, 물건 제작시 주형으로 사용하한다.
또 흑연 원자 1개 두께의 단일층으로 구성된 그래핀은 열 전도성 및 전기 전도성이 우수해 다양한 용도로 응용이 기대되는 소재다.
이에 이전부터 석탄을 흑연으로 변환하는 방법에 관한 연구가 이루어졌으며, 변환에 필요한 요소로 ▲고온의 환경 ▲환원 분위기(reducing atmosphere) ▲촉매 ▲마이크로파(Microwave) 방사 등의 요소가 특정됐다.
와이오밍 대학 연구팀은 일반 가정용 전자렌지가 이들 요소를 충족하고 있다고 보고, 화학적 전처리를 거치지 않은 석탄가루를 전자레인지에 돌려 흑연으로 변환하는 방법을 고안했다.
우선 연구팀은 구리를 시트 형태로 얇게 핀 구리 포일 위에 석탄가루를 올렸다. 그리고 구리 포일과 석탄가루를 아르곤과 수소가 혼합된 유리 용기에 넣고 밀봉해 가정용 전자레인지에서 가열했다.
전자레인지에서 가열을 시작해 마이크로파가 방출되면, 유리 용기 안에서 불꽃이 발생해 석탄을 다결정 흑연으로 변환하는데 충분한 고온이 발생하고, 이를 통해 석탄이 흑연으로 변환된다.
논문 대표저자인 크리스토퍼 마시(Christoffer Masi) 연구원은 "구리 포일 위의 석탄가루에 마이크로파 방사로 불꽃이 생기면 몇 초 이내에 1800도 이상의 초고온이 발생한다"고 설명했다.
실험에서는 마이크로파 조사 시간을 3분에서 45분까지 늘려가며 변환 효율을 조사했는데, 최적의 마이크로파 조사 시간은 15분으로 확인됐다.
전자레인지를 사용해 석탄을 흑연으로 변환하는 새로운 방법은 비용 대비 효과가 높아, 이 기술을 발전시키고 확장함으로써 질 높은 대량의 흑연을 제조할 수 있을 것이라고 연구팀은 밝혔다.