Highly Efficient Photoproduction of Hydrogen and Formic Acid Catalyzed by Nickel Complexes

Abstract

산업 발달로 화석 연료 사용이 급증하고 이에 따른 지구 온난화 문제로 대체 에너지와 이산화탄소의 처리 방법에 대한 필요성이 커지고 있다. 태양에너지의 전환으로 환경적으로 깨끗한 연료로 수소는 수요되는 필요한 에너지를 충족시키는 최적의 장기적인 해결책으로 생각되고 있다. 미래에너지로 기대 받으며 상용화를 위해 활발한 연구가 진행되고 있지만 수소 에너지를 상용화하기에는 저장의 문제와 폭발위험성의 한계가 있다. 또한 이산화탄소 전환 기술은 이산화탄소 배출량 감소에 따른 지구 온난화 문제의 해결뿐 아니라 탄소원의 재활용으로 사용될 수 있다. 인공광합성, 자연계 시스템을 모방하여 금속 촉매와 빛 에너지를 이용하여 화학적 에너지로 전환되는 과정으로 다양한 연구가 진행중이다. 기본적으로 광화학적 시스템에는 광감응제, 전자 전달계 그리고 금속 촉매를 포함한다. 광감응제와 수소를 발생하는 촉매 사이의 전자 전달 과정이 중요하며 이러한 메커니즘을 규명하기 위해 실험하였다. 본 연구에서는 지구상에 풍부하고 저렴한 니켈 촉매로 수소생성과 이산화탄소 환원 반응의 효율을 높일 수 있는 방법을 찾기 위해 연구를 진행하였다. 제 1장에서는 nickel bipyridine ligand 촉매로 수소 생성을 해보았다. Richard Eisenberg 연구단은 광화학적 시스템을 위해 cobalt 촉매를 크산텐 염료 eosin Y 와 전자 전달계 TEOA 로 이루어진 시스템을 연구하였다. 최근 nickel 촉매와 함께 Fluorescein 염료를 사용해서 수소 생성 연구도 진행하고 있다. 수소 발생에 있어서 구성 요소들의 농도와 pH값에 따라 영향을 받는 것 또한 알 수 있었다. 제 2장에서는, bipyridine과 유사한 구조의 ligand를 가지는 니켈 촉매로 이산화탄소 전환의 반응성을 광화확 및 전기화학 조건에서 실험해보았다. 이산화탄소에서 포름산으로 전환에 있어서도 수소생성과 마찬가지로 구성 요소들의 농도와 pH값에 따라 영향을 받는 것 또한 알 수 있었다. 금속 원소와 빛 에너지 만으로 수소 생산 뿐만 아니라 이산화탄소 전환 시스템으로 상용화의 가능성은 충분하다.;The combination of rising global energy demands, diminishing fossil fuel stores, and climate change has prompted intense interest in developing alternative carbon-neutral energy technologies. We synthesized highly efficient nickel complexes produce hydrogen and reduce carbon dioxide. Hydrogen has growth pontentiality to support the world energy needs but it is explosive and hard to store and deliver it. In contrast of hydrogen generation, the product of carbon dioxide reduction, formic acid, is regarded as efficient hydrogen storage material. In chapter I, to approach driven chemical water splitting to hydrogen using solar energy, a key challenge for water splitting is developing catalysts for the direct and efficient production of hydrogen from protons. Platinum and other metal catalysts have been studied for hydrogen generation for decades, but suffer from high cost and low abundance. Herein, we synthesized earth-abundant and cheap element, nickel complexes as the photocatalysts produce hydrogen. We conducted a study to find a way to increase the efficiency of hydrogen evolution by nickel catalysts. Next, synthesis of CO2 reduction catalysts that are driven by sunlight and the utilization of such technology are important in respect of the global warming problem. A current research objective in this field is to develop new photocatalysts capable of converting CO2 into useful organic chemicals, such as CO, formic acid (HCOOH), and methanol using metal complexes. We have achieved the visible-light reduction of CO2 to HCOOH by nickel complexes.