초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
분자촉매(molecular complex)를 케이지 구조체(cage framework)에 고정하는 방법으로 분자촉매 사이의 공간을 옹스트롬(A) 단위로 제어해 태양광과 물을 매개로 하여 CO2로부터 C2+연료를 변환하고자 함. 분자촉매 사이의 정밀하게 제어된 공간은 CO 전달 및 C-C커플링을 최적화해 반응을 제어함.

◼ 전체 내용
1. C2+연료 변환 과정에서 발생하는 C-C커플링은 인접한 두 탄소 사이의 거리에 의해 결정됨이 밝혀짐. 수 옹스트롬에 불과한 그 거리

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
분자촉매(molecular complex)를 케이지 구조체(cage framework)에 고정하는 방법으로 분자촉매 사이의 공간을 옹스트롬(A) 단위로 제어해 태양광과 물을 매개로 하여 CO2로부터 C2+연료를 변환하고자 함. 분자촉매 사이의 정밀하게 제어된 공간은 CO 전달 및 C-C커플링을 최적화해 반응을 제어함.

◼ 전체 내용
1. C2+연료 변환 과정에서 발생하는 C-C커플링은 인접한 두 탄소 사이의 거리에 의해 결정됨이 밝혀짐. 수 옹스트롬에 불과한 그 거리는 지금까지 실험적으로 구현이 어려웠음. 따라서, 옹스트롬 단위에서 C-C커플링 공간을 정확하게 제어할 수 있는 기술의 개발이 필요함. 다양한 내부 공간 크기를 갖는 케이지 구조체에 분자촉매를 고정하는 방법으로 분자촉매 사이의 거리를 옹스트롬 단위로 제어해 C-C커플링 공간을 최적화하려함. 본 연구에서 제안한 리간드들은 길이 차이가 있음. 이 리간드들이 사면체 구조를 이룰 시 내부 공간 크기는 옹스트롬 단위로 제어 가능하며 이 공간을 C-C커플링을 위한 반응 공간으로 활용해 최적의 케이지 구조체를 찾고자 함.
2. 용매에 분산되어 거동하는 분자촉매 특성상 반응 후 생성물을 분리하고 분자촉매를 회수하는 것이 중요함. 분자촉매를 금속-유기 구조체에 고정하는 연구들이 선행되었지만, 비용해성 특성과 입체 장애 때문에 일부 반응물의 접근과 생성물 제거에 어려움이 있음. 즉, 반응물의 접근과 생성물의 제거가 용이한 용해성 지지체의 개발이 요구됨. 수 나노에 불과한 케이지 구조체의 활용은 분자촉매의 높은 활성을 유지하면서 반응 후에 회수가 가능함.
3. 태양에너지를 활용하는 CO2 연료 변환 효율은 1% 미만에 불과하며 그마저도 연료 선택성이 불가능함. 경쟁 반응인 수소 발생 반응을 억제하고 연료 변환 효율 및 선택성을 높이기 위해서 14개 이상의 전자와 양성자의 빠른 생성 및 전달이 가능한 기술의 개발이 필요함. 전자 비편재화된 탄소 고리로 구성된 유기 리간드는 광 촉매 역할뿐만 아니라 전자를 빠르게 이동시키는 역할을 함. 또한, 분자촉매의 중심 금속은 다전자를 저장해 엑시톤 재결합을 방지함. 선행연구로부터 케이지 구조체를 활용한 광 촉매 반응은 빠른 전자 전달이 가능함을 밝혔고 수소화 반응은 빠르게 양성자를 제공한다고 알려져 있음.

◼ 1단계
❏ 연구 목표
*1차년도: 옹스트롬 단위로 공간 제어된 분자촉매 광 촉매 특성 평가.
*2차년도: 광+수소화 반응을 통한 C2+ 연료 변환 특성 평가.
*3차년도: C2+ 연료 선택성 평가.
❏ 연구 내용
* 유기 리간드 길이 조절을 통한 내부 공간 제어.
- H2BPYDC 유기 리간드로 구성된 케이지 구조체 합성.
- Terephthalic acid 유기 리간드로 구성된 케이지 구조체 합성.
- Re^I(CO)₃ 분자 촉매가 고정된 케이지 구조체 합성.
- Ru^II(bpy)₂ 분자 촉매가 고정된 케이지 구조체 합성.
- Re^I(CO)₃ 와 Ru^II(bpy)₂ 분자 촉매가 동시에 고정된 케이지 구조체 합성.
- XRD 등을 활용한 케이지 구조체 결정성 확인.
- 기체 흡착 실험을 활용해 케이지 구조체 내부 공간 크기 분석.
- TEM 분석을 통한 Re/Ru 비율 확인 및 기공 관찰 가능 여부 확인.
* CO2 변환 광 촉매 특성 평가.
- 전환 수 (turnover number, TON)와 전환 빈도(trunover frequency, TOF) 특성 평가.
- 분자촉매 사이 거리 및 Re/Ru 비율에 따른 광 촉매 특성 확인.
- GC, Liquid NMR 등을 활용한 생성물 선택성 확인.
- 반응 후 케이지 구조체 안정성 평가.
* 수소화 반응 평가.
- TGA/DSC 분석을 통한 수소화 반응 온도 범위 설정.
- 온도/압력 조절에 의한 CO2 변환 생성물/선택성/전환률 분석.
- 반응 후 케이지 구조체 안정성 평가.
* 전이 금속 촉매 고정된 케이지 구조체 전기 촉매 성능 평가.
- Cu 기반 전기 촉매 CO2 변환 전기 촉매 성능 평가.
- 조촉매 역할로써 케이지 구조체 성능 평가.
- 전도성 케이지 구조체 개발.

◼ 2단계
❏ 연구 목표
* 방사광 가속기 분석을 활용한 케이지 구조체에 고정된 분자 촉매 금속의 산화 수 및 배위 변화 분석.
* Re^I(CO)₃와 Ru^II(bpy)₂이 동시에 고정된 케이지 구조체 광 촉매 안정성 평가
* 다양한 전이 금속 촉매 고정된 케이지 구조체 개발
* 전기화학적 CO₂ 변환을 위한 촉매 활성 평가
❏ 연구 내용
* 가속기 방사광을 이용한 실험 및 분석 진행 (XAFS, PES).
- 케이지 구조체에 고정된 분자 촉매 금속의 산화 수 및 배위 변화 분석.
- 중간 생성물 조성 규명.
- CO2 변환 메커니즘 규명.
* Re^I(CO)₃와 Ru^II(bpy)₂이 동시에 고정된 케이지 구조체 광 촉매 안정성 평가.
- 광 촉매 활성은 유지하면서 높은 안정성 확보된 케이지 구조체 최적화.
- 케이지 구조체 내부 공간 및 분자 촉매 조합에 따른 광 촉매 반응 최적화.
* 다양한 전이 금속 촉매 고정된 케이지 구조체 개발.
- Re 또는 Ru 이외에 활성을 갖고 있는 전이 금속 촉매 (Fe, Ni, Co, Pt 등) 스크리닝.
- 동시에 고정될 수 있는 전이 금속 촉매 조합 라이브러리 확보.
- 연계 촉매 반응 가능성 확인.
* CO2 변환 전기 촉매 활성 평가.
- 전기 촉매 반응 활성이 있는 안정한 케이지 구조체 개발.
- 전도성 케이지 구조체 촉매 활성 및 안정성 평가.
- 반응 후 케이지 구조체 안정성 평가.
* 케이지 구조체 최적화.
- 유기 리간드, 분자촉매의 종류, 고정되는 분자 촉매 개수, 연계 촉매 도입 여부, 연계 촉매 비율, 전기 전도도와 선택성/전환률 상관 관계 규명, 최적화를 통한 CO2 변환 메커니즘 규명.

□ 연구성과
• 세부연구목표
가속기 방사광을 이용한 실험 및 분석 진행 (XAFS, PES)
Re^I(CO)₃와 Ru^II(bpy)₂이 동시에 고정된 케이지 구조체 광 촉매 안정성평가
다양한 전이 금속 촉매 고정된 케이지 구조체 개발
CO₂ 변환 전기 촉매 활성 평가
SCI급 논문 발표 (총 5건)

• 기대성과
CO₂변환 메커니즘 규명
광 촉매 활성은 유지하면서 높은 안정성 확보된 케이지 구조체 최적화
Re 또는 Ru 이외에 활성을 갖고 있는 전이 금속 촉매 스크리닝
전기 촉매 반응 활성이 있는 안정한 케이지 구조체 개발
SCI급 논문 5건 발표

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
* 연구 성과의 활용방안
- 태양에너지를 활용해 CO2로부터 C2+연료를 변환하는 연구는 세계적으로도 초기 경쟁단계에 있는 연구 주제로 최근에서야 일부 연구들이 발표되고 있음. 본 과제 수행을 통해서 차세대 에너지 변환 연구를 위한 기반을 마련하고자 함.
- 케이지 구조체는 금속 산화물과 유기 리간드의 종류에 따라 물리/화학적 특성이 바뀔 수 있음. 즉, 원하는 산업 분야에 맞춰 특성 디자인이 가능하므로 분자촉매가 사용되는 전 산업분야(제약, 유기합성, 환경, 수소 생산 및 저장, 오염물 분해 등)에 확장될 수 있음.
* 연구 성과의 기대효과
- 분자촉매 사이 공간을 옹스트롬 단위에서 제어해 CO2를 C2+연료로 변환하는 연구는 세계 최초로 시도되는 것으로, 성공할 경우 새로운 분야를 개척하고 선점할 수 있을 것으로 기대됨.
- 케이지 구조체에 고정된 분자촉매는 균일촉매반응과 불균일촉매반응의 경계를 허물고 두 반응의 장점을 취하는 새로운 연구 분야가 될 것으로 기대함.
- 2021년 유럽연합의 본격적인 CO2 배출규제가 시작되었으며 미국 역시 파리 기후협정 복귀를 선언하는 등 향후 몇 년간 CO2에 대한 관심은 더욱 커질것으로 예상됨. 우리나라 ‘2050 탄소 중립’을 선언했듯, CO2 감축을 넘어서 연료화를 하는 산업은 더욱 탄력을 받을 것으로 전망됨. 본 연구개발과제에서 제안한 광+수소화 시스템은 각각 이미 여러 산업에서 기반이 갖춰져 있으며 해당 산업 영역에 비교적 수월하게 접근이 가능할 것으로 기대됨.
- 새로 개발된 케이지 구조체, 필름등을 활용해 이차전지, 전기촉매, VOC제거, 필터 등 분야로 확장할 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 6
• 2) 연구개발과제의 필요성 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2-1) 연구개발과제의 가설 ... 6
• 2-2) 연구개발과제의 내용 ... 7
• 2-3) 연차별 과제 수행 과정 ... 7
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 19