Efficient NADH Regeneration and CO2 Reduction by AuPtNPs and Polymer-Conjugated Photocatalysts

Abstract

Research trends for future energy development are increasing in order to solve the problems raised about fossil fuels, which is an important concern for the future. Fossil fuels are very limited and cause climate change. So now, the world is making a lot of effort for development of alternative energy to replace fossil fuels. Among the many alternative energy resources, using an artificial photosynthesis system, convert light energy into chemical energy with a potential of reduction such as dihydronicotiamide adenine dinucleotide (NADH) has become a viable strategy. The development of systems using visible light is also of great interest because 46% of the total solar energy is far less likely to be used than it is in the visible range. In order to develop such an efficient artificial photosynthesis system, we first synthesized AuPtNPs catalyst. In Chapter 1, we performed an artificial photosynthesis system using three independent components, a photosensitizer, an electron relay, a catalyst, and a sacrificial electron donor. The synthesized AuPtNPs with 11-mercaptoundecanoic acid catalyst successfully regenerates NAD+ to NADH using visible light, further reducing CO2 to HCOOH. In Chapter 2, we synthesized polydiacetylene-(-NH-phen)Ir(bzq)2 using PDA, which is mainly used for biosensing and light emitting diode, and iridium catalyst with luminescent property and long excited-state lifetimes. Due to its optical and catalytic properties, it showed higher NADH production than a single catalyst without a photosensitizer, and also showed high HCOOH production. In Chapter 3, we have designed a method to regenerate higher NADH and reuse of catalyst by using polydiacetylene-(NH-phen)RhCp*Cl which was used in the previous reported paper. AuNPs were attached to polydiacetylene-(-NH-phen)RhCp*Cl for more effective NADH production and MWCNTs were added to confirm the possibility of recycle of the catalyst. We confirmed that MWCNTs attached Polydiacetylene-(NH-phen)RhCp*Cl can be recycled for NADH regeneration system.;지구상의 화석 연료는 매우 한정적이며 기후변화를 야기하기에 최근 화석연료를 대신할 수 있는 대체 에너지를 개발하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있다. 그 중, 많은 대체 에너지원들 중에서 인공광합성시스템을 이용하여 빛 에너지를 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 (NADH)와 같은 환원 잠재력을 가진 화학 에너지로 바꾸는 것이 효율적인 전략으로 대두되고 있다. 또한, 전체 태양 에너지의 46%가 가시광 영역에 속하는 것에 비해 사용 가능성이 현저히 낮기 때문에 가시광을 이용한 시스템 개발이 요구되고 있다. 따라서 효율적인 인공광합성 시스템 개발을 위해 알킬기로 연결된 금, 백금 나노입자 촉매를 합성하였다. 제 1 장에서 3가지의 독립적 요소인 광감응제, 광촉매, 희생전자주개를 이용하여 인공광합성 시스템을 수행하였다. 합성된 금, 백금 나노촉매는 가시광을 이용하여 성공적으로 NAD+를 NADH로 환원시켰으며, 광화학적으로 만들어진 NADH를 사용하여 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 연구를 수행하였다. 제 2 장에서는 바이오센싱 및 발광 다이오드 등에 주로 사용되는 폴리다이아세틸렌(PDA) 및 발광적 특성 및 긴 여기 평균수명을 가진 이리듐 촉매를 이용하여 polydiacetylene-(-NH-phen)Ir(bzq)2 을 합성하였다. 광학적 성질 및 촉매적 특징으로 인해 별도의 광감응제 없이 단일 촉매에 비해 높은 NADH 생성량을 보였으며 HCOOH 환원에 있어서도 높은 수치를 보였다. 제 3 장에서는 이전 논문에서 제기되었던 polydiacetylene-(-NHphen)RhCp*Cl 을 이용하여 더 효율적인 NADH 생성 및 촉매의 재사용을 꾀하기 위한 방안을 설계하였다. Polydiacetylene-(-NH-phen)RhCp*Cl 에 금 나노입자를 결합하여 NADH 생성효율 변화를 관찰하였으며 다중벽 탄소나노튜브에 붙임으로써 NADH 광생성 반응에 있어 재사용될 수 있음을 확인하였다.