리튬 흡착 프로토타입을 개발하기 위해 TiO₂ 분말을 적용하는 방법

1. 산화티타늄 분말이란?

이산화티타늄(TiO₂), 티탄산리튬(Li₂TiO₃), 티탄산수소(H₂TiO₃)는 첨단 재료 과학에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 화합물은 독특한 표면 화학, 결정 구조 및 이온 교환 특성을 지니고 있어 환경, 에너지 및 촉매 응용 분야에 탁월한 후보가 될 수 있습니다.

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이러한 물질은 티타늄 이온이 산소에 의해 팔면체로 배위된 층상 티타늄산염 또는 페로브스카이트와 유사한 물질로 구성됩니다. 이 구조는 리튬 이온을 수용할 수 있는 광대한 간극 공간을 가지고 있습니다. 구조의 심각한 붕괴 없이 리튬을 가역적으로 삽입 및 압출할 수 있기 때문에 반복 사용 시에도 매우 안정적이며, 이는 배터리 사용 및 리튬 회수 작업에서 가장 중요한 특성입니다.

티타늄 산화물 분말은 이온 교환 잠재력 외에도 환경 친화적이고 열적으로 안정적이며 화학적으로 불활성이어서 새로운 리튬 흡착 프로토타입을 개발할 때 친환경적인 선택이 될 수 있습니다.

2. 리튬 흡착 프로토타입이란?

리튬 흡착 프로토타입은 염수, 해수 또는 산업 폐수 등 다양한 소스에서 리튬 이온(Li⁺)을 선택적으로 흡수할 수 있는 새로운 소재 플랫폼 또는 장치를 말합니다. 이 프로토타입은 리튬 이온 배터리에 대한 전 세계적인 수요가 빠르게 증가함에 따라 중요성이 커지고 있는 지속 가능한 리튬 추출 기술의 연구 개발에서 필수적인 단계입니다.

전통적으로 리튬은 증발 연못이나 광물 가공을 통해 만들어졌는데, 이는 에너지와 환경 비용이 많이 드는 방식입니다. 흡착 회수는 더 깨끗한 공정입니다. 리튬 이온은 끌어당기지만 나트륨, 칼륨 또는 마그네슘과 같은 다른 경쟁 이온은 거부할 수 있는 선택적 흡착제를 사용합니다.

리튬 흡착의 "일반적인" 예는 다음과 같습니다:

1. 흡착 물질: 일반적으로 티타늄산염으로 만든 리튬 이온 필터(예: H₂TiO₃ 또는 Li₂TiO₃).

2. 접촉 시스템: 리튬 용액과 흡착제 사이의 효율적인 이온 교환을 가능하게 합니다.

3. 회수 또는 탈착 메커니즘: 흡착제의 재생 및 정제된 리튬의 회수를 위한 것입니다.

선택성, 용량, 안정성 및 재생 효율과 같은 성능 파라미터를 결정하기 위한 통제된 조건에서의 실험실 테스트, 재료 합성 및 변형(예: 양성자화 또는 소성)이 모두 개발 프로세스에 포함됩니다.

3. 티타늄 산화물 분말을 사용하여 리튬 흡착 프로토타입을 개발하는 방법

Li₂TiO₃(티탄산 리튬) 및 H₂TiO₃(티탄산 수소)와 같은 티타늄 산화물 분말은 선택적 이온 체질 특성으로 인해 리튬 흡착 물질의 핵을 형성합니다. 이러한 분말을 활용하여 작동하는 프로토타입을 만들기 위한 일반적인 연구 개발 프로토콜은 다음과 같습니다.

1단계: 재료 준비

리튬 흡착을 위해 Li₂TiO₃는 일반적으로 미세하게 분할되고 입자 크기가 제어된 고순도 분말로 합성되거나 공급받습니다. 그런 다음 분말을 산 침출하여 리튬 이온을 수소로 부분적으로 치환하여 H₂TiO₃를 생성할 수 있습니다. 이러한 변화는 결정 격자의 빈 공간을 유도하여 재료의 리튬 흡착 능력을 증가시키고, 용액의 리튬 이온으로 채울 수 있습니다.

일반적인 반응입니다:

Li₂TiO₃ + 2H⁺ → H₂TiO₃ + 2Li⁺

연구가 흡착(H₂TiO₃) 또는 리튬 인터칼리화/탈칼리화(Li₂TiO₃)에 관한 것인지에 따라 H₂TiO₃ 또는 Li₂TiO₃ 형태 중 하나를 사용할 수 있습니다.

2단계: 구조 및 표면 특성화

프로토타입 제작에 앞서 XRD(X-선 회절), SEM(주사 전자 현미경), BET(표면적 측정)를 통해 분말 구조와 형태를 검사해야 합니다. 이러한 절차를 통해 티타네이트 구조가 안정적이고 표면적과 다공성이 효율적인 이온 교환에 적합한지 확인합니다.

표면 수산기와 산소 공극은 종종 리튬 흡착 능력을 향상시키므로 연구자는 합성 조건(예: 소성 온도 또는 산 농도)을 수정하여 이러한 특성을 미세 조정할 수 있습니다.

3단계: 프로토타입 제작

준비된 산화티타늄 분말은 다양한 프로토타입 구성에 사용할 수 있습니다:

-연속 리튬 추출을 위한 분말로 채워진 패킹 컬럼.

-티타늄산염 입자가 폴리머 매트릭스에 분산되어 기계적 강도와 이온 선택성을 결합한 멤브레인 복합체.

- 취급 및 재사용이 용이하도록 설계된 펠릿형 또는 과립형 흡착제.

이 단계의 주요 목표는 고체와 유체의 우수한 접촉, 우수한 구조적 안정성, 사용 시 낮은 분말 손실입니다.

4단계: 리튬 흡착 및 탈착 테스트

프로토타입 테스트는 리튬 함유 용액(예: 시뮬레이션 염수)에 흡착제를 넣고 시간에 따른 리튬 흡수를 추적하는 것으로 구성됩니다.

주요 파라미터는 다음과 같습니다:

- 흡착 용량(mg Li⁺/g 흡착제)

- 선택성(Li⁺ 대 Na⁺, K⁺, Mg²⁺)

- 사이클 안정성(흡착-탈착 반복성)

흡착 후 일반적으로 희석된 산(예: 염산)을 사용하여 이루어지는 탈착 단계는 리튬 이온을 용액으로 다시 방출하여 리튬 이온을 회수합니다. 이렇게 하면 여러 번 재활용할 수 있는 H₂TiO₃ 상이 재설정됩니다.

5단계: 성능 평가 및 최적화

과학자들은 효율성, 선택성, 구조적 내구성을 기준으로 프로토타입 성능을 평가합니다. 리튬 회수율을 극대화하기 위해 pH, 온도, 용액 이온 강도를 최적화합니다. 표면 도핑 또는 탄소 화합물을 사용한 복합체 개발과 같은 기타 최적화를 통해 흡착 동역학 및 기계적 인성을 개선할 수 있습니다.

4. SAM의 사례 연구

최근 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM) 에 접수된 한 질문은 이 주제에 대한 연구 관심이 증가하고 있음을 보여줍니다.

사례 요약:

-제품: LM1301 리튬 티타네이트 분말(Li₂TiO₃)(CAS 번호 12031-82-2)

-고객: 프랑스 엔지니어링 회사

-응용 분야: 리튬 흡착 시제품 생산

연구진은 리튬 흡착에 사용할 수 있는 티타늄 산화물 분말, 특히 Li₂TiO₃ 또는 H₂TiO₃를 조사하기 위해 티타늄 산화물 분말을 찾았습니다. 안정적인 스피넬과 같은 구조, 높은 이온 교환 가역성, 환경 친화성 때문에 Li₂TiO₃는 이 응용 분야에 적합합니다.

SAM의 LM1301 리튬 티타네이트 분말은 다음과 같은 이점을 제공합니다:

-고순도 및 제어된 입자 형태

-이온 교환 주기 동안 뛰어난 상 안정성 제공

-실험실 규모에서 시제품 개발을 용이하게 할 만큼 규칙적인 화학적 조성

SAM을 통해 에너지 기업과 연구 기관은 LM1301과 같은 최첨단 소재를 제공함으로써 더 깨끗한 리튬 회수 방법으로 나아갈 수 있습니다. 이러한 프로토타입은 비재래식 자원에서 더 많은 리튬을 추출하는 데 효율적일 뿐만 아니라 기존 채굴과 비교했을 때 깨끗합니다.

결론

티타늄 화합물 분말, 특히 Li₂TiO₃와 H₂TiO₃는 미래 리튬 흡착 기술의 문을 활짝 열고 있습니다. 화학적 안정성, 선택성 및 안정적인 구조로 인해 리튬의 지속 가능한 회수 및 정제에 큰 잠재력을 가진 물질입니다. 체계적인 합성, 특성화 및 프로토타입 테스트를 통해 연구자들은 이러한 소재를 활용하여 전 세계적으로 증가하는 청정 에너지 저장 기술에 대한 수요에 대응할 수 있습니다.

참조:

[1] Sujoto, V.S.H., Prasetya, A., Petrus, H.T.B.M . 외. 리튬 추출의 발전: 지열 염수에서 티타늄 기반 리튬 이온 체 활용에 대한 포괄적 인 검토 . Sustain. 10, 1959-1982 (2024). https://doi. org/10.1007/s40831-024-00933-z