Newswise – 경제를 지탱하는 탄소 기반 연료에 대한 수요 증가로 대기 중 이산화탄소(CO2) 농도가 계속 높아지고 있습니다. CO2 배출량을 줄이기 위한 노력이 진행되고 있지만, 이미 대기 중에 존재하는 이산화탄소의 유해한 영향은 완화되지 않습니다. 이에 연구자들은 대기 중 CO2를 포름산(HCOOH)이나 메탄올과 같은 유용한 물질로 전환하는 창의적인 방법을 고안해냈습니다. 가시광선을 촉매로 사용하는 광촉매를 이용한 CO2 광환원법은 이러한 전환에 널리 사용되는 방법입니다.
2023년 5월 8일자 국제 학술지 'Angewandte Chemie'에 발표된 최신 연구 결과에서, 도쿄 공업대학의 마에다 카즈히코 교수 연구팀은 이산화탄소(CO2)의 선택적 광환원을 촉진하는 주석(Sn) 금속유기골격체(MOF)를 개발하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 이번에 개발된 MOF는 KGF-10으로 명명되었으며, 화학식은 [SnII2(H3ttc)2·MeOH]n (H3ttc: 트리티오시아누르산, MeOH: 메탄올)입니다. KGF-10은 가시광선을 이용하여 이산화탄소를 포름산(HCOOH)으로 효과적으로 전환합니다. 마에다 교수는 "지금까지 희귀 금속 및 귀금속을 기반으로 하는 고효율 이산화탄소 환원 광촉매가 많이 개발되었지만, 다수의 금속으로 구성된 단일 분자 단위에 광 흡수 기능과 촉매 기능을 통합하는 것은 여전히 ​​어려운 과제였습니다."라고 설명하며, "따라서 주석은 이러한 두 가지 난관을 극복하는 데 이상적인 후보 물질임이 입증되었습니다."라고 덧붙였습니다.
금속과 유기 물질의 장점을 결합한 MOF(금속유기골격체)는 희토류 금속 기반의 기존 광촉매를 대체할 수 있는 친환경적인 대안으로 주목받고 있습니다. 광촉매 공정에서 촉매와 광 흡수체로서의 이중 역할을 하는 것으로 알려진 주석(Sn)은 MOF 기반 광촉매의 유력한 후보 물질입니다. 지르코늄, 철, 납으로 구성된 MOF는 광범위하게 연구되어 왔지만, 주석 기반 MOF에 대한 이해는 아직 미흡한 실정입니다. 광촉매 분야에서 주석 기반 MOF의 가능성과 잠재적 응용 가능성을 충분히 탐구하기 위해서는 더 많은 연구와 조사가 필요합니다.
연구진은 주석 기반 MOF KGF-10을 합성하기 위해 H3ttc(트리티오시아누르산), MeOH(메탄올), 염화주석을 출발 물질로 사용했습니다. 전자 공여체 및 수소 공급원으로는 1,3-디메틸-2-페닐-2,3-디하이드로-1H-벤조[d]이미다졸을 선택했습니다. 합성 후 얻어진 KGF-10은 다양한 분석 방법을 통해 검증되었습니다. 분석 결과, 이 물질은 2.5 eV의 밴드갭을 가지며 가시광선 영역에서 효과적인 흡수 특성을 나타내고, 적당한 CO2 흡착 능력을 갖는 것으로 확인되었습니다.
새로운 물질의 물리적, 화학적 특성에 대한 지식을 바탕으로 과학자들은 이를 이용하여 가시광선으로 이산화탄소 환원 반응을 촉매화했습니다. 특히, 연구진은 KGF-10이 어떠한 보조 광감응제나 촉매 없이도 최대 99%의 선택성으로 이산화탄소를 포름산염(HCOO-)으로 전환시킨다는 사실을 발견했습니다. 또한, KGF-10은 광자 이용 효율을 나타내는 지표인 겉보기 양자 수율이 400nm에서 9.8%에 달하는 전례 없이 높은 값을 보였습니다. 주목할 만한 점은 광촉매 반응 중 수행된 구조 분석 결과, KGF-10이 환원 과정을 돕기 위해 구조적 변형을 겪는다는 것이 밝혀졌습니다.
본 획기적인 연구는 귀금속을 사용하지 않고 가시광선을 이용하여 이산화탄소를 포름산염으로 환원하는 고성능 주석 기반 광촉매 KGF-10을 제시합니다. 본 연구에서 입증된 KGF-10의 놀라운 특성은 태양광을 이용한 이산화탄소 환원을 비롯한 다양한 응용 분야에서 광촉매로서의 활용도를 혁신적으로 변화시킬 수 있습니다. 마에다 교수는 "이번 연구 결과는 MOF(금속유기골격체)가 지구상에 풍부하고 무독성이며 비용 효율적인 금속, 특히 분자 금속 착물을 활용하여 우수한 광촉매 성능을 개발하는 플랫폼 역할을 할 수 있음을 보여줍니다."라고 결론지었습니다. 이 발견은 광촉매 분야에 새로운 가능성을 열어주고 지구 자원의 지속 가능하고 효율적인 이용을 위한 길을 열어줍니다.
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