MOF 기반 촉매로 과산화수소 합성 증진

최근 광촉매를 이용한 과산화수소(H₂O₂) 합성이 주목받고 있으나, 광전자 부족, 낮은 산소 흡착 능력, 높은 열역학적 장벽 등으로 인해 광촉매 활성이 제한되는 문제가 있습니다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하고자 속이 빈 HKUST-1@CuFePBA@CuS (HS@CuFe@CuS) 이종접합 광촉매를 개발했습니다. 입방형 HKUST-1 금속-유기 골격체(MOF)를 전구체로 사용하여 합성했습니다. HKUST-1에서 방출된 Cu²⁺ 이온을 통해 HKUST-1 표면에 CuFe 프러시안 블루 유사체(CuFePBA) 나노시트를 성장시키고, 이어서 CuFePBA 나노시트 표면에 CuS 나노입자를 형성하는 동시에 HKUST-1 내부에 속이 빈 구조를 만들었습니다. 합성된 광촉매는 H₂O₂ 합성에 탁월한 광촉매 활성을 보였습니다. 특히, HS@CuFe@CuS-4는 927 μmol g⁻¹ h⁻¹의 H₂O₂ 수율을 달성했는데, 이는 단일 HKUST-1, CuFePBA, CuS보다 각각 5.3배, 10.3배, 5.2배 증가한 수치입니다. 실험 및 이론 연구에 따르면, 속이 빈 HS@CuFe@CuS 이종구조는 효율적인 광전하 분리/전달 및 독특한 속 빈 구조로 산소 광환원 반응에 더 많은 광전자를 제공하고, 활성 부위의 산소 흡착을 증가시키며, 산소 광환원 반응의 깁스 자유 에너지를 감소시켜 H₂O₂ 합성을 증진합니다. 본 연구는 H₂O₂ 합성을 위한 유망한 광촉매 나노구조 설계 전략을 제시합니다.