Efficient Photocatalytic H2 Production and CO2 Reduction by Cobalt and Nickel Quaterpyridine Complexes

Abstract

Increasing global energy demands and growing concerns for climate change due to consumption of fossil fuels have resulted in a considerable amount of research being into direct the development of alternative, renewable, and more sustainable energy sources. Artificial photosynthesis using solar energy and abundant resources such as water and carbon dioxide to produce renewable fuels has emerged as the most viable strategy. We synthesized cobalt and nickel complexes with quarterpyridine ligand for production of hydrogen and carbon monoxide. We deal with cobalt complexes in chapter I and nickel complexes in chapter II. Cobalt and nickel, which is earth- abundant 3d transition metal complexes, offered an attractive approach to hydrogen production catalysis with high catalytic activity and efficiency. Photocatalytic reduction of water and carbon dioxide to produce synthesis gas, which is a fuel gas mixture consisting primarily of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO), has merited significant interest, because synthetic gas can be converted to liquid hydrocarbon fuels. Formic acid (HCOOH), one of the two electrons reduced compounds of CO2, is promising hydrogen storage. It can easily be split by catalysts into hydrogen and CO2 under mild conditions and it exists in the liquid form with higher energy density. Herein we report the efficient photocatalytic reduction of water and carbon dioxide using triethanolamine (TEOA) as the sacrificial electron donor, cobalt and nickel complexes as the photocatalysts and 2,4,5,7-tetrabromofluorescein (eosin Y) as the photosensitizer in MeCN/H2O (v/v = 1:9) to yield H2 and CO, in EtOH/H2O (v/v = 1:9) to yield formic acid.;전 세계 에너지 수요의 증가와 화석 연료 소비로 인한 기후 변화에 대한 우려 증가로 인해서, 대체 에너지원, 재생 가능 에너지원 및 지속 가능한 에너지원에 대한 직접 개발연구가 진행 중이다. 태양 에너지와 물과 이산화탄소와 같은 풍부한 자원을 이용하여, 재생 가능한 연료를 생산하는 인공 광합성이 실행 가능한 방안으로 떠올랐다. 우리는 수소와 일산화탄소의 생산을 위해, quarterpyridine ligand를 지닌 cobalt와 nickel 촉매를 합성했다. 제 1장에서는 cobalt 촉매를, 그리고 제 2장에서는 nickel 촉매를 다루었다. 본 연구에서는 지구상에 풍부하고 저렴한 3d 전이 금속인 cobalt와 nickel을 이용하여, 수소 생성과 이산화탄소 환원 반응의 효율을 높일 수 있는 방법을 찾기 위해 연구를 진행하였다. 광 촉매적으로 물과 이산화탄소의 환원 반응을 통해 생성된 수소 (H2)와 일산화탄소 (CO)는 액체 탄화수소 연료로 전환이 될 수 있기 때문에, 물과 이산화탄소를 이용한 환원 반응이 상당한 관심을 받고 있다. 반면, 이산화탄소의 환원 반응의 생성물인 포름산은 수소를 저장할 수 있는 물질이다. 포름산은 온화한 조건 하에서, 촉매에 의해 수소와 이산화탄소로 쉽게 분리 될 수 있으며, 높은 에너지 밀도를 갖는 액체 형태로 존재한다. 우리는 광화학적 시스템으로 전자를 제공하는 TEOA, 광 촉매인 cobalt와 nickel촉매, 그리고 광감음제인 eosin Y를 이용하여 연구를 진행하였다. 용매 조건 MeCN / H2O (v / v = 1 : 9) 안에서 H2 및 CO를 생성하였고, 용매 조건 EtOH / H2O (v / v = 1 : 9) 안에서 HCOOH을 생성하였다. 금속 원소와 빛 에너지 만으로 수소 생성뿐만 아니라 이산화탄소 전환 시스템으로 상용화 가능성이 충분하다.