슈퍼커패시터 기술을 위해 수술용 안면 마스크를 탄소 기반 박막 전극으로 업사이클링

Jul 17, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12146(2023) 이 기사 인용

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일반적으로 사용되는 플라스틱인 폴리프로필렌(PP)은 수술용 안면 마스크의 바깥층을 만드는 데 사용됩니다. 2020년에는 약 30억 개의 수술용 안면 마스크가 환경에 폐기되어 야생 동물, 수중 생물 및 생태계에 큰 위협을 일으켰습니다. 본 연구에서는 수술용 안면 마스크를 안정화하기 위한 술폰화 기술과 이를 슈퍼커패시터 전극으로 적용하기 위한 탄소 나노입자로 전환하는 방법을 보고했습니다. 전극은 탄소나노입자의 슬러리 페이스트를 제조하고 이를 전도성 웨어러블 원단에 붙여서 제작한다. 탄소박막 전극의 성능을 조사하기 위해 전기화학적 기법이 사용된다. 6몰 KOH 전해질에서 서로 다른 스캔 속도로 수행된 순환 전압전류법(CV) 분석은 탄소 박막이 양극으로 작용한다는 것을 보여줍니다. 4 A g−1 에서 전극은 366.22 F g−1 의 비정전용량과 8000 사이클 동안 100% 비정전용량 유지율을 보여줍니다. 탄소박막을 양극으로, NiO박막을 음극으로, 두 전극 사이에 KOH 분리막을 사용하여 2전극 비대칭 소자를 제작하였다. 이 장치는 1.3 A g−1에서 113.73 F g−1의 비정전용량을 나타내며 6분 동안 빨간색 LED를 켭니다. 이 작업은 코로나19 팬데믹 기간 동안 사용된 수술용 안면 마스크와 이를 에너지 저장 장치로 활용하여 생산된 폐기물을 업사이클링하기 위한 단계입니다.

가정과 산업에서 생산되는 폐기물은 환경, 야생 동물, 수생 동물 및 인간 건강에 해로운 피해를 입힙니다1. 이러한 폐기물에 존재하는 독성 물질은 토양, 물, 공기의 살아있는 유기체에 영향을 미칩니다. 그러나 최근 개발로 인해 이러한 폐기물을 유용한 자원으로 활용하게 되었습니다2. 2019년에는 코로나19 대유행이 전 세계를 강타했고 예방 조치 중 하나는 수술용 안면 마스크를 사용하는 것이었습니다. 이로 인해 전 세계적으로 안면 마스크 생산이 엄청나게 급증했습니다3,4,5,6. 수술용 안면 마스크는 폴리프로필렌(PP)으로 만든 일회용 소재입니다. PP는 플라스틱의 일종이며 이러한 마스크의 광범위한 소비로 인해 전 세계 플라스틱 폐기물 문제가 추가되었습니다7. 내셔널 지오그래픽 매거진(National Geographic Magazine)의 추정에 따르면 2020년에 매일 30억 개 이상의 마스크가 폐기되었으며 이러한 추세는 이후 2년 동안 지속되었습니다8. 이러한 모든 PP 기반 수술용 안면 마스크는 환경에 버려지면 생태계에 심각한 위협이 됩니다. 따라서 이 문제를 해결하고 지속 가능한 개발을 위해 사용한 안면 마스크를 재활용하거나 업사이클링하기 위한 효과적인 솔루션을 찾을 필요가 있습니다. 그러한 해결책 중 하나는 탄소 기반 나노물질(CNM)로의 전환입니다. 가장 일반적으로 사용되는 CNM은 그래핀, 활성탄 및 탄소 나노튜브(CNT)이며 폐기물로부터 생산되는 CNM은 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. CNM은 매우 우수한 형태적, 화학적, 기계적 및 전기적 특성을 갖고 있어 센서, 슈퍼커패시터, 트랜지스터, 광전 장치 등 개발에 대한 응용이 크게 증가합니다.9. 또한 CNM은 다양한 합성 기술을 사용하여 쉽고 효율적이며 비용 효율적으로 생산됩니다. 폴리프로필렌(PP)은 다양한 화학적 방법12,13을 통해 CNM으로 환원되었습니다. 폐기물(마스크)로부터 CNM을 생산하면 환경에 존재하는 폐기물의 양을 크게 줄이고 환경과 생태계를 정화하는 데 도움이 됩니다.

본 연구에서는 안면 마스크를 안정화하고 슈퍼커패시터 전극으로 적용하기 위한 탄소 나노입자로 변환하기 위한 설폰화 기술을 보고했습니다. 표준 특성화 도구는 합성된 물질에 존재하는 형태, 구성 요소 및 기능 그룹을 검사하는 데 사용됩니다. 제작된 전극의 전기화학적 성능과 슈퍼커패시터 적용은 CV, 정전류 충전 또는 방전(GCD) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 분석됩니다. 전극은 착용 가능한 면직물로 제작되었습니다. 탄소박막 전극은 비정전용량, 순환 안정성, 정전용량 유지 등 좋은 전기화학적 성능을 보여준다. 이 연구는 코로나19 팬데믹 기간 동안 사용된 안면 마스크에서 생성된 폐기물을 업사이클링하고 이를 슈퍼커패시터 기술에 적용하기 위한 한 단계이다. 이번 연구는 에너지 저장 장치 개발과 환경 개선에 도움이 될 것입니다. 보고된 탄소박막 전극은 이전에 발표된 일부 연구와 비교하여 우수한 용량성 거동을 나타냅니다.