금속-유기 골격체 내의 광 감각제 도입과 에너지 전달 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

광 촉매 반응을 통해 생성되는 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)을 활용하여 친환경적인 산화반응을 유도하고, 유기 오염 물질 분해에 활용할 수 있다. 효율적인 광 촉매 시스템을 구축하기 위해서는 뛰어난 성능의 광 감각제를 도입하여 광 활용 범위를 확장하고, 여기된 에너지를 효과적으로 전달할 수 있는 구조를 갖추어야 한다. 본 연구에서는 금속-유기 골격체 (metal-organic framework, MOF)에 광 감각제를 도입하여 MOF 구조 내 에너지 트랜스퍼 메커니즘을 규명하고, 광 촉매 활성에 미치는 영향을 탐구하고자 하였다. 이를 위하여 다음의 두 가지 방법을 계획하였다. 첫째, 결정성 다공성 구조인 MOF 지지체를 활용하여 효율적인 에너지 전달 플랫폼을 설계하였다. 둘째, 뛰어난 ROS 생성 능력을 가진 I-BOPHY 분자에 카복실기를 기능화하여 Zr 기반 MOF에 결합 가능한 형태 (I-BOPHY 리간드)로 다변화하였다. 이후 구조가 상이한 두 Zr 기반 MOF (UiO-67, NU-1000)를 선택하여 I-BOPHY@UiO-67과 I-BOPHY@NU-1000 복합체를 합성하였다. 제 2장에서는 유기합성을 통하여 Zr 기반 MOF에 결합 가능한 I-BOPHY 리간드를 합성하였다. 이후 결함이 의도적으로 유발된 UiO-67에 I- BOPHY 리간드를 도입하고 MOF의 결함 부위가 광 감각제 도입에 미치는 영향과 복합체의 광 활성에 대해 탐구하였다. 제 3장에서는 NU- 1000의 피렌과 I-BOPHY 리간드의 광 흡수/방출에 중첩 영역 (400-500 nm) 있다는 점과 MOF 구조 내에서 두 광 감각제가 근거리에 위치한다는 점에 착안하여 Förster 형 에너지 트랜스퍼를 유도하였다. 두 MOF 복합체는 I-BOPHY 리간드의 영향으로 뛰어난 일중항 산소 생성 능력이 부여되었으며, 유기 황화합물의 광산화 반응에서 3시간 이내에 높은 선택성과 전환율을 달성하였다. 또한 시간-분해 형광법 (TRPL) 및 TRANES (Time-Resolved Area Normalized Emission Spectra) 분석으로 MOF 리간드에서 I-BOPHY 리간드로 진행되는 에너지 전달의 방향성을 규명하였다. 따라서 본 연구는 MOF 리간드와 외부에서 도입된 광 감각 분자 간의 에너지 트랜스퍼가 가능함을 입증하였으며, 구조적 특성이 상이한 두 종류의 Zr 기반 MOF에서 광 감각제가 도입되는 메커니즘을 비교·분석하였다. 이러한 결과는 다양한 MOF 플랫폼에 광 기능을 부여하고, 고효율 광 촉매 지지체로 활용할 수 있는 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 v
• 그림목차 vi
• 1. 제 1 장 서론 1
• 1.1. 광 촉매 반응과 활성산소 1
• 1.2. 유기-금속 골격체 4
• 1.3. BOPHY 9
• 2. 제 2 장 리간드 결함을 적용한 UiO-67 지지체 활용 연구 10
• 2.1. 연구 배경 및 목적 10
• 2.2. 실험 방법 13
• 2.2.1. I-BOPHYPhCOOH (I-BOPHY 리간드) 합성 13
• 2.2.2. UiO-67 합성 13
• 2.2.3. I-BOPHY@UiO-67 합성 17
• 2.2.4. 분석 방법 17
• 2.2.5. Sulfide-sulfoxide 광 산화 반응 18
• 2.2.6. DHN-Juglone 전환 반응 19
• 2.3. 결과 및 논의 19
• 2.3.1. I-BOPHY@UiO-67 의 특성 분석 19
• 2.3.2. 활성산소종 생성 능력 평가 25
• 2.3.3. I-BOPHY@UiO-67 골격체 내 에너지 이동 특성 분석 30
• 3. 제 3 장 광 감각성 피렌 리간드를 포함하는 NU-1000 지지체 활용 연구 36
• 3.1. 연구 배경 및 목적 36
• 3.2. 실험 방법 39
• 3.2.1. NU-1000 합성 39
• 3.2.2. I-BOPHY@NU-1000 합성 39
• 3.2.3. 분석 방법 39
• 3.2.4. Sulfide-sulfoxide 광 산화 반응 40
• 3.3. 결과 및 논의 41
• 3.3.1. I-BOPHY@NU-1000 의 특성 분석 41
• 3.3.2. I-BOPHY@NU-1000 의 광촉매 성능 평가 46
• 3.3.3. I-BOPHY@NU-1000 의 골격체 내 에너지 이동 특성 분석 51
• 4. 제 4 장 요약 및 결론 56
• 5. 참고문헌 59
• 6. Abstract 64