차세대 전기화학 이미징 플랫폼으로서의 분광전기화학 현미경 개발 구축을 통한 전기활성 표면 기능성 연구
전기화학 반응이 일어나는 전기활성 표면에 대한 깊은 이해 및 지식에 대한 필요는 오늘날 현대 사회의 에너지/환경/반도체 분야 등 다양한 산업적/학문적 분야에서 나날이 높아지고 있음. 반면에, 통상적인 표면 연구 기법들은 표면 위 공간적 형태(topography)에 대한 일차원적 정보 분석 중심인 경우가 많으며, 전기화학 현미경 기반의 표면 연구 플랫폼도 전...
분광전기화학
전기활성 표면
전기화학발광
광발광
분광전기화학 현미경
2
주관|
2023년 5월-2024년 5월
|66,910,000원
1,2,3,4-Tetrahydroquinaldine의 전기화학적 탈수소화 반응 효율 향상을 위한 TEMPO 영향 연구
본 연구과제에서 제안하는 “1,2,3,4-Tetrahydroquinaldine의 전기화학적 탈수소화 반응 효율 향상을 위한 TEMPO 영향 연구”는 수소 저장소재로 활용되고 있는 질소 함유 헤테로고리 화합물로부터 수소를 발생하기 위한 통상적인 기술인 열화학적 탈수소화 반응을 통한 수소 생성의 한계를 극복하고자 제안됨. 더 나아가, 현재 제한된 이해에 머물고 있는 질소 함유 헤테로고리 화합물의 전기화학적 탈수소화 반응 메커니즘에 대한 근본적인 이해 증대를 바탕으로 전자 전달 매개체를 전기화학적 촉매로 활용하여 수소 생성 효율 향상을 도모하고자 함.
이 때 본 연구과제에서는 1,2,3,4-tetrahydroquinaldine (THQ)를 모델 질소 함유 헤테로고리 화합물로 선정하여 통상적으로 TEMPO로 알려진 2,2,6,6-tetramethylpipiridinyloxy 전자 전달 매개체가 THQ 질소 함유 헤테로고리 화합물의 전기화학적 탈수소화 반응에 미치는 영향을 연구하고자 함.
이를 위해 본 책임연구자는 구체적으로 두 가지 핵심 세부 연구개발내용들을 설정하고 이를 통합적으로 성취하고자 함.
● 핵심 세부 연구 I: THQ 질소 함유 헤테로고리 화합물의 전기화학적 탈수소화 반응 특성 연구
본 연구에서는 수소 저장소재로 활용되고 있는 질소 함유 헤테로고리 화합물의 전기화학적 탈수소화 반응 매커니즘에 대한 근본적인 이해 증대를 핵심 세부 연구로 설정함. 이를 위해 구체적으로 THQ를 대표적인 질소 함유 헤테로고리 화합물 모델로 선정하여 전기화학적 탈수소화 반응 특성을 고찰하여 반응 메커니즘에 대한 이해를 높이고자 함.
● 핵심 세부 연구 II: TEMPO 전자 전달 매개체를 활용한 전기화학적 탈수소화 효율 증대 연구
기존의 전기화학적 탈수소화 반응에서는 THQ 질소 함유 헤테로고리 화합물 기질과 전극 간의 불균일 전자 전달 과정이 진행되어 효율이 낮은 한계를 지님. 이를 극복하고자 본 연구에서는 전자 전달 매개체를 활용하여 전기화학적으로 활성이 있는 전자 전달 매개체와 기질 간의 균일한 산화/환원 과정을 바탕으로 진행되는 간접적 전기분해 (indirect electrolysis) 과정을 통해 전기화학적 탈수소화 효율 증대 가능성을 탐구하고자 함. 이를 위해 통상적으로 TEMPO로 알려진 2,2,6,6-tetramethylpipiridinyloxy를 활용하여 구체적으로 전자 전달 매개체가 THQ 질소 함유 헤테로고리 화합물의 전기화학적 탈수소화 반응에 미치는 영향을 연구 고찰하고자 함.
본 기초연구실은 개별 연구실의 각 전공별 제한적인 기존 연구의 한계를 극복하기 위하여 다변적인 융합적 접근을 통한 공동 집단 연구를 수행하고자 함. 구체적으로, 차세대 에너지 변환과 저장 연구에 필요한 광전기화학적 에너지 변환 촉매들의 활성/특성을 마이크로 스케일(micro-scale) 수준, 더 나아가 나노 스케일(nano-scale) 수준의 국소적 공간에서 탐구하기 위한 화학적 도구로 전기화학발광 현상을 활용하는 연구 전략을 취하고자 함. 이는 1) 전기화학발광 현상을 기반으로 하는 전기분석화학적 접근과 2) 광전극 표면 위 전기화학 반응에 대한 이해를 포함하는 광전기화학적 접근, 3) 광전기화학적 에너지 변환 관련 화학반응들의 열역학적/동역학적 이해를 바탕으로 하는 물리화학적 접근, 그리고 4) 에너지 변환 촉매 재료들의 합성 및 미세 패터닝을 포함하는 재료화학적/에너지공학적 접근을 아우르는 네 가지 세부학문분야간의 다변적인 접근을 통한 융합 연구로 이루고자 함.
이러한 융합적 집단 연구를 통하여 전기화학발광(ECL) 현상을 차세대 에너지 변환과 저장 연구에 필요한 광전기화학적 에너지 변환 촉매의 활성/특성 연구를 위한 화학적 도구로 활용하는 창의적 패러다임을 제시하고자 함. 또한 미시적 공간 수준의 에너지 변환 촉매 연구를 위해 전극 위 다양한 형태의 촉매 구조 도입을 도모할 수 있는 빛-유도 전착과 전기화학적 순간 흡수 분광학 활용 전략을 제시하고자 함.
이를 위해 본 기초연구실은 아래에 기술한 바와 같은 세 가지 세부적 중점 연구분야들을 구체적으로 설정하여 전기화학발광을 화학적 도구로 광전기화학적 에너지 변환 연구를 수행하고자 함.
# 중점 연구분야 I: 미시적 국소 공간 수준의 분해능을 위한 전기화학발광 효율 증대 연구
- 전기화학발광 효율 증대를 위한 발광 물질 및 전극 연구
- 미시적 국소 공간 수준에서의 전기화학발광 특성 연구
# 중점 연구분야 II: 전기화학발광 기반의 광전기화학 반응 특성 연구
- 전기화학적 순간 흡수 분광학(Electrochemical Transient Absorption Spectroscopy, EcTAS) 연구
- 국소 공간 내 광전기화학 반응 매커니즘 연구
# 중점 연구분야 III: 패턴된 촉매/반도체 전극 계면의 에너지 변환 반응 특성 연구
- 빛-유도 전착에 의한 촉매 패턴 형성 및 거시적 수준 반응 특성 연구
- 미시적 국소 공간에서의 에너지 변환 반응 특성 연구
본 연구에서는 정밀 제어된 나노물질들의 특성을 활용하여 향상된 전기화학적 발광 현상을 기반으로 광전기화학 통합 분석 기술 및 시스템을 개발하고, 이를 단일 촉매입자와 단일 세포와 같은 개별 단일 개체들의 구조-특성 상관관계 (structure-function relationships) 및 단일 개체들의 비균질성 (heterogeneity) 이해 등의 개별적이고 풍부한 정보를 얻을 수 있는 단일 개체 (single objects) 분석 연구에 적용하고자 함. 특히, 기존의 일반적인 전기화학발광 (ECL) 기법 연구에서는 특정 전압에 따라 관찰되는 발광의 (luminescence) 세기 혹은 발광의 파장에 따른 세기만을 검출할 수 있는 단변수 분석 (univariate analysis) 만이 가능하다는 한계를 극복하고자, 본 연구과제에서는 전압(혹은 시간)에 따른 발광의 세기와 파장을 동시에 검출할 수 있는 다변수 분석이 (multivariate analysis) 가능하도록 분광분석법과 전기분석법을 통합하는 전기화학발광 분석 기술 및 시스템을 연구 개발하고자 함.
이 때, 본 연구과제에서 지칭하는 “정밀 제어된 나노물질”은 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자 (dendrimer-encapsulated nanoparticles, DEN), 금속 나노클러스터 (metal nanoclusters), 탄소 기반 나노물질 등을 (graphenes, carbon quantum dots, 등) 아우르며, “광전기화학 통합 분석 시스템”은 분광분석화학과 전기분석화학을 통합 적용할 수 있는 검출 기법인 전기화학발광 (ECL) 현상에 기반을 둔 통합 분석적 전기화학발광 시스템을 (analytical ECL system) 지칭함.
이와 같은 연구목표 실현을 위해 본 책임연구자는 구체적으로 네 가지 중점 연구 내용들을 설정하여 이를 입체적으로 수행하고자 함.
- 중점 연구 분야 I: 정밀 제어된 나노물질 합성 및 특성 분석 연구
- 중점 연구 분야 II: 다변수 분석적 전기화학발광 기술 연구
- 중점 연구 분야 III: 통합 분석적 전기화학발광 시스템 연구
- 중점 연구 분야 IV: 단일 개체 분석 연구
덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(Dendrimer-Encapsulated Nanoparticle, DEN)의 나노자임(Nanozyme)으로서의 특성 연구를 기반으로 한 정량분석기법 개발
본 연구과제에서는 나노자임(Nanozyme)으로서의 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(DEN)의 구조와 촉매특성 간의 상관관계에 대한 이해를 도모하고, 이를 기반으로 나노복합소재들의 합성, 제어기술 및 촉매특성을 연구하여 기존의 생체효소 기반의 분석기법들의 한계를 극복한 정량분석기법들을 연구하고자 함. 이 때, 본 연구과제에서 지칭하는 “나노복합소재”는 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자를 기반으로 한 나노복합소재, 즉 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(DEN), 바이오 리셉터(Bio-receptor), 그리고 그래핀 나노조각(Graphene nanoflake)과 같은 탄소기반 나노물질들이 복합된 나노복합소재들을 의미함. 아울러, “정량분석기법”이라 함은 비색법(Colorimetry), 화학발광
(Chemiluminescence, CL) 및 전기화학발광(Electrochemiluminescence, ECL) 기법들을 지칭함.
이와 같은 최종 연구목표 실현을 위해 계획된 구체적인 연구 내용들을 요약/정리하면 아래와 같음.
첫째, 나노자임(Nanozyme)으로서의 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(DEN)의 구조와 촉매특성간의 상관관계 연구. 즉, 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자의 크기, 조성, 합금 및 코어-쉘(Coreshell) 구조와 같은 구조적 특성들을 정밀 제어하여 나노자임으로서의 촉매특성 변화를 관찰 연구함으로써 나노자임의 구조와 촉매성 간의 상관관계에 대한 근본적 이해를 도모하고자 함.
둘째, 덴드리머(Dendrimer)의 끝부분 작용기(Terminal functional group)를 활용한 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(DEN) 기반의 나노복합소재 연구. 즉, 나노입자를 캡슐화 한 덴드리머의 끝부분 작용기를 활용한 다양한 접합화학(Conjugation chemistry)을 연구하고, 다양한 바이오 리셉터(Bio-receptor)와 탄소기반 나노물질들을 결합한 나노복합소재들의 합성, 제어기술 및 촉매특성을 연구하고자 함.
셋째, 덴드리머 내부에 캡슐화 된 나노입자(DEN) 기반의 나노복합소재들을 적용할 수 있는 정량분석기법 연구. 즉, DEN 기반의 다양한 나노복합소재들을 적용할 수 있는 정량분석기법들을 연구하여 생체효소 기반의 분석기법들의 한계를 극복한 보다 안정적이고 분석적 효율성이 향상된 정량분석기법들을 제시하고자 함.
이러한 연구 내용의 실현을 통해 임상진단 분야를 포함한 다양한 바이오분석 분야에서 활용되고 있는 생체효소 기반 정량분석기법들의 한계를 극복하여 보다 효율적이고 안정적인 차세대 정량분석기법을 확립하고 실제 바이오분석 시장에서 활용할 수 있을 것으로 기대함.