초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 자연계의 광합성을 대체할 수 있는 물산화 전이금속 광촉매 개발을 위한 화학적 기초 및 응용 연구에 관한 것임. 자연계는 광합성과정 중 분리된 전자를 이용하여 이산화탄소를 환원시키고 정공을 이용하여 물을 산화하여 산소를 발생시킴과 동시에 이산화탄소 환원에 필요한 양성자를 제공함. 지금까지 전자전달에 관한 연구가 심도있게 진행되었고 이제는 물분해에 과학계의 관심이 집중되고 있음. 물분해는 반쪽 반응인 물산화가 우선적으로 중요하며 궁극적으로 태양광을 에너지원으로 이용할 수 있어야 함. 이에 본 연구자는 (1)

□ 연구개요
본 연구는 자연계의 광합성을 대체할 수 있는 물산화 전이금속 광촉매 개발을 위한 화학적 기초 및 응용 연구에 관한 것임. 자연계는 광합성과정 중 분리된 전자를 이용하여 이산화탄소를 환원시키고 정공을 이용하여 물을 산화하여 산소를 발생시킴과 동시에 이산화탄소 환원에 필요한 양성자를 제공함. 지금까지 전자전달에 관한 연구가 심도있게 진행되었고 이제는 물분해에 과학계의 관심이 집중되고 있음. 물분해는 반쪽 반응인 물산화가 우선적으로 중요하며 궁극적으로 태양광을 에너지원으로 이용할 수 있어야 함. 이에 본 연구자는 (1) 기존 균일계 루테늄 물산화 촉매의 중요한 특징이 산화전위역전 현상임을 발견하고 이를 발현할 수 있는 화합물의 설계 및 제조와 (2) 광유발 전자전달 반응과 연계하여 ’자체적으로 광흡수-전자전달을 통한 산화-산화전위역전에의한 물산화촉진‘이 가능하도록 광유발 전자전달 매개체의 설계 및 제조에 중점을 두고 연구를 진행함.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구는 물 분해의 에너지원으로 태양광을 이용하는 전이금속 물 산화 광촉매개발을 목표로 하는 기초 및 응용연구로서 궁극적으로 자연계의 광합성을 모방하고자 하는 화학적 접근 방법임. 연구는 양자 화학적 계산 화학을 이용한 분자의 특성 탐색의 선행, 후보 물질에 대한 광범위한 스크리닝, 후보 물질 선별, 합성과 구조분석 및 성능 심사, 실용성 있는 촉매의 발굴을 골자로 함. 촉매의 개발을 위하여 무작위적인 촉매의 합성과 성능 심사를 지양하고 이론적 계산의 선행을 통해 시간과 노력을 절약할 수 있는 연구 방법을 지향함. 연구의 내용은 다음과 같음. (A) Meyer-Lever Plot 재현을 가능케 하는 계산 방법 최적화 (B) 광범위한 화합물에 대한 산화전위 역전 심사를 통해 물 산화와 관련된 화합물의 중요 특성 평가 (C) 후보 물질에 대한 계산화학적 촉매 반응 시뮬레이션. 최적 후보 물질 도출 (D) 후보물질 합성 및 성능 평가 (E) 다핵 화합물로 확장 (F) 전자전달 시스템으로 확장. 실질적으로 진행한 연구의 내용을 정리하면 다음과 같음. (1) 산화전위역전 가능한 루테늄 화합물 DFT 계산 방법 확립 (2) DFT 계산을 통한 산화전위역전 루테늄 화합물 스크리닝 (3) 산화전위역전 후보 화합물 도출 (4) 후보물질 합성 (5) 후보물질의 구조 및 전기화학적 분석(6) 실험결과를 바탕으로 2차 후보물질 도출 (7) 2차 후보물질 합성 및 분석 (8) 분자내 전자전달 연구-Mixed valence system 설계 및 합성 (9) 전기화학 실험 결과 (10) Mixed valence system TD-DFT 계산을 통한 electronic coupling 평가. 목표와 결과는(A-1), (B-2), (C-3,6), (D-4,5,7), (F-8, 9,10)와 같이 대응할 수 있음. 목표를 모두 완수하 였으나 (E) 다핵 화합물로의 확장 부분은 완수하지 못했음. 대신 일핵화합물에 대해 2차 후보물질을 설계하고 합성하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
1. 산화전위역전 현상의 이론적 예측 방법론 구축:균일계 물산화 촉매의 중요한 특징으로 다전자 산화 과정에서 산화전위역전이 물산화를 촉진시킬 수 있음을 발견하고 이를 무작위적으로 합성하는 데 필요한 시간과 노력을 절감하고자 이론적으로 예측할 수 있는 방법론을 구축함. 방법론의 실용성을 증명하기 위하여 60여 종의 다양한 루테늄 화합물에 대한 계산을 통해 산화전위역전이 가능한 구조의 모티브를 발견하고 이를 바탕으로 5종의 신규 화합물을 설계하여 합성하였고 전기화학적 방법을 이용한 측정으로 이론적 계산이 타당함을 증명함. 증명된 방법을 더욱 확장하여 산화전위역전이 가능한 화합물을 쉽게 설계할 수 있었고 이를 이론적으로 예측하였다.
이러한 방법을 이용하면 산화전위역전 현상과 나아가 물산화촉매의 개발을 획기적으로 가속화할 수 있을 것임.
2. 루테늄계 화합물을 물산화촉매로 이용하고자 했던 중요한 이유는 가시광 영역에서 광흡수능이 우수하여 물의 산화에 필요한 에너지를 태양광을 흡수하여 자체적으로 조달가능하기 때문임. 흡수한 태양광을 이용하여 전자를 금속 중심으로부터 멀리 방출하기 위해 물산화촉매에 적절한 전자전달경로를 마련하고 전자를 흡수할 수 있는 (궁극적으로 이를 환원반응에 이용할 수 있는) 전자받게에 연결하여 자연계의 광합성을 모방할 수 있는 광촉매를 구현하고자 π-stacked aromatic system을 구상하고 거리에 따른 electronic coupling을 심사함. 결과는 매우 놀라운 것으로서 거리에 따른 electoronic coupling의 damping factor가 0.5 수준으로 전자전달에 매우 유리함을 증명함.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1. 연구의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 2.1 산화전위역전 가능한 루테늄 화합물 DFT 계산 방법 확립 ... 5
• 2.2 DFT 계산을 통한 산화전위역전 루테늄 화합물 스크리닝 ... 6
• 2.3 산화전위역전 후보 화합물 도출 ... 7
• 2.4 산화전위역전 후보물질 합성 ... 8
• 2.5 후보물질의 구조 및 전기화학적 분석 ... 8
• 2.6 실험결과를 바탕으로 2차 후보물질 도출 ... 9
• 2.7 2차 후보물질 합성 및 분석 ... 9
• 2.8 분자내 전자전달 연구- Mixed valence system 설계 및 합성 ... 10
• 2.9 전기화학 실험 결과 ... 11
• 2.10 Mixed valence system TD-DFT 계산을 통한 electronic coupling 평가 ... 11
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 12
• 3.1 산화전위역전 현상의 이론적 예측 방법론 구축 ... 12
• 3.2 3,1 방법론을 이용한 신규 산화전위역전 화합물의 설계와 합성 ... 12
• 3.3 분자내 전자전달 반응은 광합성의 원리를 규명하기 위해 광범위하게 연구되었던 분야이다 ... 12
• 4. 참고문헌 ... 13
• 5. 연구성과 ... 14
• 끝페이지 ... 15