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.
광촉매 수소 과산화물(H₂O₂) 생산은 가혹한 조건에서도 작동하는 견고한 촉매 개발이 필수적이나, 이는 여전히 큰 도전 과제로 남아있습니다. 본 연구에서는 티아졸 기반의 동족 헤테로폴리아로마틱 공유 유기 골격체(COF)인 TTT-COF를 후-고리화 반응을 통해 합성하여 광촉매 H₂O₂ 생산 및 C(sp³)-H 결합의 호기성 산화에 적용했습니다.
연구 결과, 황(S) 헤테로원자가 도입된 TTT-COF는 높은 화학적 안정성, 연속적인 π-공액, 효율적인 전자 및 에너지 전달, 그리고 향상된 전자 주개-받개(D-A) 구조 및 전하 분리 능력을 보였습니다. 이러한 특성들은 촉매의 고유한 광촉매 활성과 안정성을 크게 향상시켰습니다.
특히, TTT-COF는 10% 벤질 알코올을 희생제로 사용했을 때 29.9 mmol g⁻¹ h⁻¹의 높은 광합성 H₂O₂ 생산 속도를 달성했으며, 200시간 이상의 장기 안정성을 유지했습니다. 또한, 에틸벤젠 유도체 산화 반응에서도 뛰어난 반응성을 나타냈습니다.
이 전략은 맞춤형 특성을 지닌 COF 재료의 대규모 생산을 위한 유망한 경로를 제시하며, 광촉매 분야를 넘어 다양한 응용 분야에 활용될 잠재력을 가지고 있습니다.
질소 헤테로고리 공유결합 유기 골격체(COF)는 독특한 광학 및 전기적 특성으로 인해 과산화수소(H2O2) 생산에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 본 연구에서는 질소 원자 구성이 다른 네 가지 광촉매를 설계하여 전자 및 에너지 밴드 구조를 조절했습니다. 이를 통해 H2O2 생산 효율을 최적화하고자 했습니다.
설계된 광촉매 중 피리미딘 기반 COF는 희생제나 산소 공급 없이 순수한 물에서 17014 μmol g−1 h−1의 높은 H2O2 생산 속도와 1.84%의 태양광-화학 에너지 전환 효율을 달성했습니다. 이론적 계산과 실험 연구를 통해 이 COF가 우수한 광전기화학적 특성, 산소 환원 반응 활성, 그리고 가장 낮은 반응 전위 장벽을 가짐을 확인했습니다.
이는 2전자 산소 환원 반응과 4전자 물 산화 반응을 통한 이중 채널 H2O2 생산을 가능하게 합니다. 광촉매 시스템의 응용 잠재력을 탐색하기 위해 20 × 20 cm 패널 반응기를 자연광 아래에서 작동시킨 결과, 항생제 분해 및 장기적인 수질 소독을 위한 H2O2를 지속적으로 생성했습니다.
본 연구는 고효율의 H2O2 합성 및 환경 정화 잠재력을 가진 선진 광촉매 시스템을 제시합니다. 특히, 질소 원자 구성이 다른 COF 촉매들을 활용하여 광촉매 H2O2 생산 및 현장 수처리를 성공적으로 시연했으며, TpPm COF가 순수한 물에서 산소 공급 없이 17014 μmol g−1 h−1의 H2O2 생산 속도를 보였습니다.
