1. 조촉매와 공액고분자 간의 화학적 결착을 이용한 광촉매 활성도 극대화 - 기존 분자 광촉매 기술에서는 조촉매를 물리적으로 흡착시키거나 고분자 반도체 내에 삽입하는 방식을 사용해왔지만, 이번 연구에서는 조촉매와 공액고분자 간의 화학적 결합을 이용하여 안정적으로 도포하는 새로운 기술을 도입할 예정임. 이를 위해 디아지린계 가교제를 합성하여 조촉매와 고분자 반도체 간 공유 결합을 구현하고, 이 기술은 다양한 종류의 유기 반도체와 조촉매에 적용 가능하며 특허 포트폴리오 확보에 중요한 장점을 가짐. 2. 분자 광촉매 내 물 전달 채널 (water transport channel) 생성 - 공액고분자 기반 광촉매는 엑시톤 확산 길이가 짧다는 단점을 가짐. 본 연구에서는, 비스-디아지린 계 가교제를 도입하여 분자 내 물 전달 채널을 생성하는 연구를 진행하고자 함. 이 방법은 ethylene glycol 그룹을 곁쇄로 도입하는 것보다 적용 범위가 넓고, 물과 프로톤의 전달 채널 외에도 계면활성제 간 전달 채널로 활용이 가능하고, 엑시톤 확산 거리를 확장시킬 수 있다는 장점이 있음. 뿐만 아니라, 비스-디아지린은 azide에 비해 상대적으로 장파장의 UV에 의해 광가교가 가능하기에 분자 광촉매에 적합함. 3. 입자이종접합 형 분자 광촉매 나노입자 제조 - 본 연구는 이종접합 타입의 광촉매를 제조하여 성능을 향상시키고, 전기수력학 젯팅을 이용하여 다양한 형태의 입자이종접합 광촉매를 구현하고자 함. 기존의 공액 고분자 기반 광촉매에서 발생한 문제를 해결하기 위해 입자이종접합 방식을 사용하며, 산화환원 중계물질의 필요성 등의 문제점 또한 개선하고자 함. 4. 광촉매-조촉매 결착, 물 전달 채널, 입자이종접합 도입의 효과에 대한 광물리 분석 - 태양광-수소 변환 효율을 극대화하기 위해 입자이종접합 광촉매 내에서 광자 흡수, 엑시톤 형성, 엑시톤 분리, 전하 이동, 조촉매로의 전하 전달과 계면 재결합 등의 과정에 대한 시분해 분광법을 이용한 광물리학적 분석을 하고자 함. 이를 통해 전하 전달 효율을 최적화하여 태양광-수소 변환 효율을 높이고, 시분해 형광 분광법과 시분해 흡수 분광법을 이용하여 생성된 전하의 동역학 정보를 얻고자 함. 5. 조촉매의 화학적 결착법과 입자이종접합 광촉매 구현을 통한 완전 물분해 활성도 및 반응 선택성 향상 (HER > 60, OER > 30 μmol g-1h-1) - 본 연구에서 제시하는 광촉매 나노입자를 사용하게 되면 조촉매를 고분자 도메인에 선택적으로 결착시키는 것이 가능하고 전자와 홀이 이동하는 표면이 서로 다르기 때문에 산화/환원 반응의 선택성을 극대화할 수 있음. 이를 통하여, 공액 분자 기반 광촉매 최초로 완전 물분해가 가능한 시스템을 구현하고자 함. 6. 입자이종접합 분자 광촉매 성능 최적화를 위한 p-type, n-type 공액분자 신규 합성 - 본 연구에서는, 광촉매와 조촉매의 화학적 결합, 프로톤 전달 채널 도입, 입자이종접합 구현 등을 통해 분자 광촉매의 성능 최적화를 목표로 함. 제일원리 계산과 분자 시뮬레이션을 활용하여 단량체 소재의 탐색과 공액 분자 소재의 발굴을 진행하며, 중합과 리간드의 구조에 따른 광촉매 활성도 상승역량과 물 전달 채널 형성 용이성에 관한 분자 디자인 룰을 제시하고자 한다. (선기획)분자 광촉매와 조촉매의 화학적 결착 및 물 전달 채널 형성의 feasibility 확인, Z-scheme 가능 단량체 조합 시뮬레이션