Photocatalytic $CO_2$ reduction of re-doped MOFs with different ligand environment

Abstract

산업 혁명을 기점으로 지구 온난화 문제화 탄소 자원의 부족이 문제가 되고 있다. 2100년에는 대기중의 이산화탄소 농도가 590 ppm까지 증가할 것으로 예상되며, 이로 인해 지구의 온도는 $1.9^\circ C$ 상승될 것으로 보인다. 이를 방지하기 위해 다양한 대책들이 연구되고 있다. 직접적으로 이산화탄소의 방출을 줄이는 방법과 이산화탄소 포집 저장 기술 (CCS), 그리고 이산화탄소 포집 및 활용 방안 (CCU)이 제시되고 있다. 이 중에서 CCU 방법은 이산화탄소의 양을 감축시키면서 동시에 탄소 기반의 원료를 생산할 수 있어 가장 효과적인 해결 방안으로 제시되고 있다. 이산화탄소는 일산화탄소, 메탄올, 메탄 등으로 환원이 가능하다. 특히, 일산화탄소는 수소 가스와 함께 syngas로서, 피셔-트롭슈 반응을 통해 탄화수소를 합성하는 원료이다. 태양에너지를 이용화여 이산화탄소를 환원하는 광촉매는 가장 유망한 방법으로 연구되고 있다. 특히, 레늄 복합체는 이산화탄소를 일산화탄소로 선택적으로 변환하는 데 탁월한 균일 촉매로 알려져 있다. 하지만, 균일촉매로서 재사용이 힘들다는 점과 이합체화 반응에 의해 촉매 활성이 사라진다는 단점이 있다. 이러한 한계를 금속유기구조체 (MOFs)를 통해 해결하고자 하는 연구가 최근 시작되고 있다. 금속유기구조체는 유기 리간드와 금속 이온으로 이루어진 크리스탈 구조체이다. 불균일 촉매로서 재사용이 가능하고, 레늄 촉매를 유기리간드로 구성하면 이합체화 반응을 방지할 수 있다. 특히, 금속유기구조체는 다공성 구조로서 기공의 화학적 환경에 따라 촉매 활성에 변화가 생긴다. 이러한 관점에서 기공의 환경을 다르게 하여 레늄 촉매의 활성에 차이가 생기는지 확인하는 연구를 진행하였다. 유기리간드의 차이에 따라 전자와 정공의 재결합 속도에 차이를 확인하였고, 이를 통해 촉매 활성에 보다 적합한 조건을 찾아낼 수 있었다. 이 연구를 통해 레늄-금속유기구조체의 최대 효율을 갖는 리간드를 시뮬레이션과 병합하여 찾아내어 기존보다 향상된 성능의 촉매를 합성할 수 있을 것으로 예상된다.