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상식

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가시 광선을 사용하여 화학 반응을 촉진시키는 인공 잎

<KISTI의 과학향기> 제3264호

태양 광을 이용한 광촉매 반응은 화석 연료를 없애는 태양열 화학 제조 산업의 비전에 상당한 관심을 끌고 있다.
 
지난 몇 년 동안, 큰 밴드 갭을 갖는 반도체에 대한 금속 나노 입자 광 감응화가 가시광 반응 광촉매 물질을 개발하기 위한 유망한 전략으로 떠올랐다.
 
대부분의 기존의 광촉매는 루테늄 또는 이리듐을 이용한 유기-금속 합성체를 기반으로 하며, 가시광에 대해 매우 낮은 광학 단면을 가지며, 즉 입사광의 일부분만을 흡수할 수 있다.
 
광 흡수가 광촉매의 본질적인 단계이지만 기존의 접근 방식은 효율 향상을 위해 높은 조명 강도가 요구되는 불충분한 흡수 촉매에 의존하고 있다.
 
이 연구 결과 (ACS Catalysis, "Hot-Carrier Organic Synthesis via the Near-Perfect Absorption of Light")에 따르면, 연구팀은 새로운 플라즈몬 메타 물질이 특정 입사광의 거의 100 %를 흡수할 수 있으며 이 에너지를 화학 물질 생산을 가속화 시킬 수 있다는 것을 입증했다.
 
연구팀은 완벽에 가까운 흡수체를 제작하기 위해 금 나노 입자, 스페이서 층으로 TiO2 및 후면 반사 층으로 연속 금 박막을 사용했다. TiO2/Au 나노 입자 계면은 이 장벽을 초과하는 에너지를 가진 고온 전자가 방출될 수 있는 쇼트키 접합 역할을 한다. 결과로 생긴 전하 분리 상태 (TiO2와 Au의 전자)는 각각 환원 및 산화 화학 변환에 사용할 수 있다.
 
이 물질은 화학 물질이 혼합된 용기에 삽입될 때 빛을 사용하여 화학적 변형을 촉진하고 촉진시키는 일종의 인공 잎으로 생각할 수 있다.
 
그들의 연구에서 연구팀은 기존의 $ 3 백색광 LED를 유일한 전원으로 사용하여 주변 온도 (즉, 추가 가열이 필요 없음) 및 대기압에서 빛에 의한 반응이 일어날 수 있음을 보여 주었다.
 
특히, 이 거울/반도체/나노 입자 메타 물질은 플라즈몬 공명 파장에서 입사 광자의 ~ 94 %를 흡수할 수 있다. 이것은 전통적인 반도체/나노 입자 접촉에 비해 효율이 약 29 배 증가한 메타 물질 표면의 아민과 이민의 선택적 산화 결합을 위한 37 mmol_product/g_Au 촉매/h의 촉매 속도를 달성했다.
 
고유한 광촉매 변환 경로에서의 역할이 증가함에 따라 주목을 끄는 플라즈몬 구조체로부터의 핫 전하 추출로, 연구 주제에 관해 제시된 것과 같이 일관되고 균일한 실험적 및 이론적 결과 세트를 포함하는 이전의 연구가 없다고 믿는다. 연구 결과는 급속한 성장을 겪고 있는 학제 간 분야, 핫 전하 광촉매 및 플라스몬-핫 전하 추출에 대한 추가 작업을 자극할 것이다.
 
연구팀의 개념 입증 데모는 장래에 의약 화합물 제조에 사용되는 것과 같은 유기 반응이 온화한 가시 광선 조사 하에서 새로운 촉매 시스템으로 추진될 수 있음을 의미한다.
 
반응에 대한 추진력으로 강력한 외부 가열 및 압력을 필요로 하는 기존의 촉매 공정과 비교하여, 이 새로운 촉매 시스템은 광 흡수를 최대화하고 광자 에너지를 화학 에너지로 효율적으로 전환할 수 있다.
 
이전에 연구팀은 여러 가지 시스템을 개발했는데, 이는 거의 완벽한 완벽한 광 흡수를 보여주었다. 원칙적으로 많은 복잡한 유기 반응이 전하 이동을 통해 일어날 수 있으며 이러한 가능성을 탐구하면 과학자의 연구를 유도할 수 있다.
 
연구팀의 궁극적인 목표는 태양 광을 효율적으로 이용하고 재생 가능하고 지속 가능한 환경에서 태양 에너지를 화학 물질로 전환시키는데 이 나노 기술을 사용하는 것이다. 미래의 응용 분야를 위한 광 흡수성 및 촉매 활성 부위를 조절할 수 있는 보다 복잡한 거의 완벽한 흡수 시스템을 계속 연구 중이다.
 
비록 photoreox flow-chemistry 접근법과 함께 그들의 기술을 통합하는 것이 가장 가능성있는 해결책이라고 믿지만 문제는 현재 화학 합성에서의 적용을 위한 이 새로운 시스템의 제한 요소 중 하나가 화학 물질의 대량 전달과 효율적인 혼합이라는 것이다.

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