| 초록 |
1.분석자 서문 지난 수십 년간 전 지구적인 에너지 수요 급증으로 이를 충족시킬 수 있는 지속 가능한 에너지 시스템 개발이 시급하다. 재생에너지원을 전기화학적 에너지전환 시스템과 연계하면 발생한 에너지를 화학결합 에너지로 저장할 수 있다. 이러한 에너지전환을 위해서는 해당 반응이 높은 효율로 빠르게 진행되도록 만드는 전기화학촉매를 확보해야 한다. 이에 금속-유기 구조체(Metal-organic frameworks, MOF)가 유망한 재료로 부각되었으나 기본적으로 부도체이기 때문에 전기화학촉매로의 활용이 제한적이었다. 하지만 최근 전도성 MOF의 발전으로 몇몇 MOF 전기화학촉매는 효율이 가장 뛰어난 불균일촉매와 비교 가능할 정도의 촉매활성을 보이기도 했다. 때문에 앞으로 상용화된 에너지전환 소자에서의 촉매 대체제로 MOF를 사용할 가능성도 있다. 본 분석은 최근 중요하게 부각되는 에너지전환 관련 반응들에 사용되는 MOF 전기화학촉매를 소개한다. 2. 목차 1.개요 2. 에너지전환용 분자 전기화학촉매 3. 전기화학촉매를 위한 금속-유기 구조체 4. 수소발생반응 4.1. Metal dithiolene MOFs 4.2. Metal dithiolene-diamine MOFs 5. 산소발생반응 5.1. Porphyrin 기반 MOF 5.2. MOF의 합성 후 변화 5.3. 두 가지 금속으로 이루어진 MOF 6. 산소환원반응 6.1. 산소환원반응을 위한 MOF 전기화학촉매 7. 이산화탄소환원반응 7.1. 구리 MOF 7.2. Metalloporphyrine 기반 MOF 7.3. 레늄 기반 MOF 8. 분석자 결론 본 논문은 에너지전환을 위한 MOF 기반 전기화학촉매의 장단점을 분석하고, 이들이 사용된 예를 설명하였다. MOF 기반 촉매는 효율적으로 금속 촉매자리를 분리시키고, 다공성 구조를 가지며, 금속이나 리간드 종류 등 합성 과정에서 다양한 요소들을 변화시킬 수 있기 때문에 그 화학적, 물리적 특성을 다양하게 조절할 수 있다. 하지만 많은 MOF가 물에 불안정하고 부도체이기 때문에 연료전지와 같은 에너지전환 시스템에 바로 적용되기에는 문제가 있다. 따라서 MOF를 전도성이 높은 물질로 사용하거나, 다른 촉매의 지지체로 사용하거나, 전도성이 높은 MOF를 개발하는 방법이 시도되고 있다. 본 논문은 그중 전도성이 높고 자체적으로 촉매활성을 가지는 MOF를 중심으로 분석을 진행했다. 가장 활발하게 진행되는 전기화학반응인 수소 발생, 산소 발생, 산소 환원, 이산화탄소 환원반응에서 중요한 점을 잘 짚어주고 나서 이들 반응을 위해 사용된 MOF 촉매들을 소개하였다. 하지만 다른 MOF보다 비교적 전도성이 높고 수용액에 안정하며 전기화학촉매 활성이 좋은 MOF 위주로 설명하고 있음에도 불구하고 이들 MOF가 어떤 이유로 높은 전도성을 띠는지, 어떤 구조적 특징 때문에 수용액에 안정한지에 대한 설명이 없는 점이 아쉬운 점이다. 전도성 MOF에 대한 내용은 다음 리뷰 논문에서도 찾아볼 수 있다.12 부존량이 풍부하고 값싼 원료로부터 합성할 수 있는 촉매 대부분이 낮은 전도성 문제로 실제 응용에 적용되기 힘든 문제점이 있다. 따라서 촉매에 전도성을 증가시키기 위한 체계적인 연구가 진행된다면 MOF뿐만 아니라 촉매 전반에서 큰 돌파구를 찾을 수 있을 것이다. 추가적으로 최근 이차원 MOF 합성 및 박리를 통한 이차원 MOF 나노판에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있는데,39, 40 이를 통해 MOF를 이용한 새로운 나노구조 형성 및 다양한 기능성 조절이 가능할 것으로 보인다. References 1. C. A. Downes and S. C. Marinescu, Electrocatalytic Metal ndash;Organic Frameworks for Energy Applications, ChemSusChem, 2017, 10, 4374-4392. 2. S. Chu and A. Majumdar, Opportunities and challenges for a sustainable energy future, Nature, 2012, 488, 294. 3. Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. NØrskov and T. F. Jaramillo, Combining theory and experiment in electrocatalysis: Insights into materials design, Science, 2017, 355. 4. N. S. Lewis and D. G. Nocera, Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2006, 103, 15729-15735. 5. D. Kim, K. K. Sakimoto, D. Hong and P. Yang, Artificial Photosynthesis for Sustainable Fuel and Chemical Production, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3259-3266. 6. J.-M. SavEant, Molecular Catalysis of Electrochemical Reactions. Mechanistic Aspects, Chem. Rev., 2008, 108, 2348-2378. 7. R. M. Bullock, A. K. Das and A. M. Appel, Surface Immobilization of Molecular Electrocatalysts for Energy Conversion, Chem. Eur. J, 2017, 23, 7626-7641. 8. H.-C. Zhou, J. R. Long and O. M. Yaghi, Introduction to Metal ndash;Organic Frameworks, Chem. Rev., 2012, 112, 673-674. 9. I. Stassen, N. Burtch, A. Talin, P. Falcaro, M. Allendorf and R. Ameloot, An updated roadmap for the integration of metal-organic frameworks with electronic devices and chemical sensors, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 3185-3241. 10. Q.-L. Zhu and Q. Xu, Metal-organic framework composites, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5468-5512. ※ 이 자료의 분석은 Max-Planck-Institute의 임주현님께서 수고해주셨습니다. |
