Photocatalysis, 광촉매는 유기 합성 분야에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야 중 하나입니다. 최근 몇 년 동안 광화학 이론을 도입한 다양한 연구 도구와 방법이 개발되고 있으며, 이에 따라 시중에 여러가지 형태의 광반응기가 출시되고 있습니다. 그렇다면 광촉매란 정확히 무엇이며, 실험실에서 광촉매를 적용하는 방법은 무엇일까요?
광촉매(Photocatalysis)란?
간단히 말해서, 광촉매는 반응을 가속화하기 위해 빛(보통 UV 또는 가시광선 파장)을 사용하는 것입니다. 샘플의 종류, 반응의 목적 증 광반응 프로세스에 사용할 수 있는 광원은 다양합니다. 기존에는 강력한 UV 조사를 위해 수은 Vapour Lamp를 사용하였지만, 최근에는 고전력 LED를 활용하여 보다 안전하고 효율적으로 광반응을 진행합니다.
일반적으로 Photoredox는 자외선만을 활용하여 연구되었지만, 2008년에 출시된 이 논문*으로 가시광선을 동시에 독립적으로 활용할 수 있는 방법이 소개 되었습니다. 프린스턴 대학의 David Macmillan 교수팀과 연구원 윤태식, 코리스티븐슨의 발견으로 광하학 분야는 더 발전하게 됩니다.
(stephenson, C.R.J., Yoon, T.P., & MacMillan, D. W. C. (2017). Visible light photocatalysis in organic chemistry. Wiley-VCH Verlag. https://doi.org/10.1002/9783527674145)
광촉매 적용의 예
Photoredox-mediated hydrogen atom transfer (HAT) and nickel catalysis 이 과정에 대한 자세한 내용은 University of Liverpool에서 제공하는 아티클을 통해 확인하실 수 있습니다.
Accessing 2-Aryl N-Heterocycles with Photocatalysis
환경개선 - 광촉매는 오염 물질을 분해하여 공기 및 수질 정화와 같은 공정에 사용될 수 있습니다.
유기 합성 - 광촉매는 시간과 비용, 에너지를 절약하면서 상대적으로 간단한 조건에서 다양한 반응을 일으킬 수 있으므로 유기 합성에 매우 유용합니다.
탄화수소 합성 - 광촉매는 이산화탄소를 연료로 전환하는 연구에도 활용됩니다.
위의 예시는 광촉매의 가능한 응용 분야 중 지극히 일부일뿐이며, 광화학의 지속적인 성장에 따라 그 적용 분야는 더 넓어지고 있습니다.
광촉매 반응기는 어떻게 작동하나요?
광반응기 설계에서 반드시 고려하셔야 하는 사항은 반응물에 높은 수준의 광자가 침투해야 한다는 점입니다. 현재까지 가장 효율적인 방법이라고 소개되는 반응기 디자인은 아래와 같습니다.
- Light rod reactor : 이러한 형태의 반응기는 석영 막대를 사용하여 LED 장치에서 직접 빛을 샘플로 전달합니다(막대 끝을 샘플에 담그는 방식). 석영의 내부 반사는 광섬유 케이블과 유사한 효과를 가지므로 빛의 손실을 최소화 할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 반응기 사이즈가 작아지고 구조가 간단하여 사용법이 간단합니다. 다만 샘플 용량이 많은 경우에는 적용이 어렵다는 단점도 있습니다.
- 병렬 반응기 : 병렬 반응기는 여러 반응을 동시에 실행할 수 있도록 설계된 디자인으로, 처리량이 많은 스크리닝 및 Batch Reaction 등에 적합합니다. 광반응 특성상 병렬식으로 제작하면 광원에 노출되는 샘플의 면적이 커져서 더 만족스러운 반응 결과물을 이끌어 낼 수 있습니다.
- Flow/Photoreactor 조합 : 조합형 디자인은 샘플이 Flow Reactor System을 통해 흐르고 있을 때, 빛이 반응물에 조사되어 반응을 촉진하는 형식입니다. 아래 사진에 나와있는 제품의 경우, PhotoFlow 모델을 갖춘 반응기에 LED 장치를 얹어서 사용하는 방식입니다. 정확히는 광원이 CSTR(연속 교반 텡크 반응기) 위에 장착되고, 작은 창을 통해 샘플에 빛을 조사합니다. 설정이 간단하고 기존의 Flow Reactor에도 적용하기 쉬워 폭넓게 활용되는 방법입니다.
이처럼 광촉매를 이용한 광화학 반응에는 다양한 응용 분야가 있으며, 이를 반영한 여러가지 형태의 광반응기도 출시되고 있습니다.
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