기존 광촉매의 문제점과 MOFs를 도입했을 때 장점

태양광을 이용한 반응인 photosynthesis은 친환경 측면에서 많은 연구가 되는 분야이다. 이 반응에서 빛을 화학적 에너지로 바꾸는 데는 3가지의 단계가 필요합니다.

 

1) photosensitizer에서 빛을 받아 전자가 들뜬 상태가 되고 들뜬 전자와 hole이 떨어져 존재하는 charge-separated excited state가 만들어진다.

2) 전자가 안정적으로 반응 장소(reactive centre, 본 논문에서는 catalyst에 해당한다.)로 이동한다. 이 과정에서 sacrificial reductant가 산화되며 전위차를 더욱 높이며 전자를 안정적으로 옮길 수 있게 한다.

3) 반응 장소(catalytic center)에서 환원과 산화 반응이 일어난다.

 

위 세 가지 단계에서 PS(photosensitizer)는 빛을 받아 반응을 시작하는 역할을, sacrificial reagent는 전위를 높여 전자의 이동을 돕거나 3번째 단계에서 목표 반응이 아닌 다른 반응을 방지하는 역할을, 마지막으로 catalyst는 반응 속도와 효율을 높여줄 뿐 아니라 목표 반응을 설정하여 반응을 유도하는 역할을 합니다. 이렇게 photosynthesis에서 쓰이는 3가지 물질은 필수적으로 필요하지만, 아직 많은 문제점이 있습니다. 대표적으로 각각의 물질을 사용 후에 걸러내거나 재사용이 쉽지 않다는 것이고, PS와 촉매 사이에 전자 교환에 어려움이 생겨 반응 효율과 속도를 낮추게 됩니다. 이러한 문제점을 타파하기 위해 MOFs를 도입한 광촉매가 제시되었습니다.

 

MOFs는 금속을 포함한 유기 클러스터(secondary building unit, SBU), SBU들을 서로 연결하는 유기-무기 bridge(linker)를 포함한 3차원 결정성 물질입니다. 큰 특징으론 다공성으로 부피 대비 표면적이 넓고, 이러한 구멍의 크기와 특성을 SBU와 linker를 이용해 조절할 수 있습니다. 다공성으로 다른 분자와 상호작용이 용이하고, 특성을 조정하기 쉬워 원하는 반응을 끌어낼 수 있습니다.

 

위에서 설명한 PS와 촉매를 따로 사용하는데 일어나는 문제점은 MOFs에 촉매와 PS를 동시에 도입해서 해결할 수 있습니다. PS의 측면에서 PS는 특정 파장대의 태양 빛을 흡수하여 전기화학적 에너지로 전환합니다. MOFs는 SBU와 linker의 구조적 특성에 따라 구멍의 크기가 변하며 이는 일차적으로 흡수하는 빛의 파장대를 조절할 수 있게 합니다. 그리고 SBU와 linker 자체의 물성도 큰 영향을 끼치는데, SBU의 금속 이온이나 무기 linker가 흡수하는 빛의 파장대에 따라 달라집니다. 그 외로 PSM(post-synthetic modification)은 이미 합성이 끝난 MOFs에 linker를 교체하거나 linker에 다른 functional group을 추가하는 등의 방법을 말하며, 이는 연구 단계에서 MOFs를 이용한 새로운 물질 개발의 용이성을 나타내고 있습니다. 두 번째로 catalyst와 PS를 한 분자 안에 배치함으로 전자 교환의 용이성이 높아질 수 있습니다. 앞에서 말한 MOFs의 합성 및 조정에 용이함을 통해 여러 가지 촉매와 PS를 아주 근접한 거리로 MOFs 내에 도입할 수 있습니다. MOFs 자체가 PS로 작용하는 만큼, 조작을 통해 더 넓은 파장대의 빛을 흡수하게 하거나 특정 파장대의 흡수율을 높여 특정적으로 그 전위의 반응을 끌어낼 수 있습니다.

 

MOFs 자체의 특징을 중점으로 설명하면, 우선 다공성이 있습니다. 다공성 구조를 가진 만큼 같은 부피 대비 표면적이 넓다고 했는데, 이는 같은 부피에서 더 많은 분자와 상호작용 할 수 있음을 나타냅니다. 또한 고체인 MOFs에 PS와 촉매를 도입하는데, photosynthesis가 물분해를 위해 사용될 때, PS와 촉매는 물속에서 반응합니다. 이는 물에서 PS와 촉매를 수거하는 데 많은 어려움을 주는데 MOFs에 도입하면 고체이므로 쉽게 수거 및 재사용이 용이하게 됩니다.

 

여전한 문제점으로 sacrificial reagent(reductant)의 존재가 있습니다. 이 물질은 위의 photosynthesis의 3단계에서 설명한 것으로 부차적인 이점을 가져다주는 것 같지만, 반응의 효용성을 위해선 거의 필수적으로 필요합니다. 또한 가장 큰 문제점은 sacrificial reagent는 소모성 물질이라는 점이며, 반응을 위해선 계속해서 사용되는 비지속성 물질입니다.