Production of Renewable Energy Sources Using Chemical or Photochemical Methods with Metal Nanoparticles

Abstract

지구상에 화석에너지는 매우 한정적인 반면에 세계적으로 에너지 소비가 점점 높아짐에 따라 시간이 갈수록 화석에너지가 고갈되고, 가격은 치솟고 있다. 그래서 현재, 세계는 화석에너지를 대신할 수 있는 대체에너지를 위하여 대단히 많은 노력들을 하고 있다. 그 중에 한가지는 태양에너지를 광화학 시스템 내에 이용하여 화학에너지형태로 전환시키는 것이다. 최적의 자연 광합성 시스템은 photosensitizer, 전자전달계, 촉매와 같은 세가지 독립적인 성분을 필요로 한다. 본 연구에서는 photosensitizer, 전자전달계, 유기금속촉매를 첨가하지 않고, 오직 백금나노입자만을 이용하여 신재생에너지인 NADH를 발생하였다. 반응용액을 파장 420nm이상의 가시광선영역의 빛을 조사해주면 triethanolamine이라는 전자주개를 이용하여 NAD+에서 NADH로 전환하는 수득률이 86%에 가깝게 나타난다. NADH발생속도는 백금나노촉매와 전자주개의 농도를 변화시키게 되면 변화가 되었으며, 기질인 NAD+의 양을 변할수록 NADH재생속도가 증가한다는 것을 알 수 있었다. 로듐복합체는 NADH를 효소를 사용하지 않고 재생하는 반응에서 매우 중요한 도구로 사용된다. 이 복합체는 넓은 범위의 pH와 온도에서 매우 높은 안정성과 활동성을 보여주고 있다. 이때 재생의 개념은 재생에서 사용되는 formate 또는 알코올과 같은 전자 주개에 제한을 받지 않는 상태에서 이루어 진다. 이 연구에서는 다양한 리간드를 가진 로듐 복합체들을 사용하여 NADH를 화학적으로 재생하여, 각각의 로듐 복합체들의 특성을 비교 평가한다. 나아가 재생된 NADH를 파장 420nm이상의 빛을 발산하는 광-시스템 내에 도입하여 대체에너지원인 수소를 발생시키는 연구와 함께 값비싼 생체 NAD+를 대신할 수 있는 NAD+ 유도체들을 합성하여 화학적으로 NADH형태로 재생하여 마찬가지로 광-시스템 내에서 NADH유도체와 수소를 얼마나 발생시킬 수 있는 지에 대해 연구했다.;Various redox enzymes perform their specific biological reactions using dihydronicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as chemical energy in the form of a reducing potential. NADH as a co factor is used in stoichiometric amounts in biological reactions, but its practical application on a large scale costs too much. Various studies for NADH regeneration, such as enzymatic, electrochemical, photochemical methods, have been reported with different catalytic systems to study the reaction mechanism and develop efficient systems. Rh complexes ([Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+ , [Cp*Rh(phen)(H2O)]2+ and so on) are a versatile tool for the non-enzymatic regeneration of oxidoreductase coenzymes such as NADH, NAD+, and FADH2. In part 1, the complexes show high stability and activity over a very broad range of pH (more than 60% activity between pH 3.5 and 8) and temperature (expotential increase of activity until at least 69℃). The regeneration concept is not limited to sacrificial electron donors such as formate for regeneration of reduced coenzymes; cheap lectrical power as a reagent less source of reduction equivalents can also be used. At 30℃, the complex has a specific activity of NADH regeneration with identical KM values for NAD+ of about 8μM . In studies that mimic natural photosynthesis, a system containing three independent components, a photosensitizer, electron relay, and catalyst, has been used with a sacrificial electron donor. In this part 2, we created a novel system for the photocatalytic generation of NADH from aqueous protons using various shape and size Pt nanoparticles without any additional photosensitizer, electron relay, and homogeneous organometallic catalyst. We found that irradiation of the Pt nanoparticle solution with visible light converts NAD+ to NADH with a high yield in the presence of triethanolamine as a sacrificial electron donor. The rate of NADH photogeneration depended on the concentration of PtNPs and TEOA. The rate of NADH generations also increased with NAD+ concentration at low values and reached a plateau. The catalytic activity of Pt nanoparticles with different sizes and shapes was investigated in a photocatalytic hydrogen evolution system composed of the photosensitizer and NADH, based on yield of hydrogen evolution and electron transfer from one-electron-reduced species of photosensitizer to PtNPs. The observed hydrogen-evolution rate was virtually the same as the rate of electron transfer from photosensitizer to PtNPs. The rate constant of electron transfer increased linearly with increasing proton concentration. When AuNPs and PdNPs were used instead of PtNPs, hydrogen evolution, although the hydrogen-evolution efficiency was significantly lower than that of PtNPs because of the much slower electron transfer from photosensitizer to PtNPs.