Silicon nanowires have been widely used in many nanoscale devices, including solar cells, photoelectrochemical cells, transistors, and battery electrodes. In this thesis study, highly efficient biocatalyzed artificial photosynthetic system is developed by employing hydrogen-terminated silicon nanowires (H-SiNWs) that exhibit good photocatalytic property with large surface area and strong light absorption across visible-light range. H-SiNWs, fabricated by metal-assisted chemical etching process, possessed enlarged band gap from the effect of quantum confinement and enabled cascade electron transfer from electron donor to NAD+ via an Rh-based electron mediator. Approximately 80% of NADH was photo-regenerated from NAD+ by H-SiNWs within 2 hrs of light irradiation ( $lambda$> 420 nm), which was successfully coupled with photoenzymatic synthesis of L-glutamate. In addition, H-SiNWs can act as a rechargeable hydride source for cofactor-dependent enzymatic reactions. During the regeneration of NADH, the Si-Hx bonds on H-SiNWs were oxidized to form Si-OH and Si-O-Si bonds on the nanowire surface and evolve hydrogen. The oxidized H-SiNWs were readily recharged by treatment in a diluted HF solution for the repeated generation of NADH and continuous enzymatic reactions for the synthesis of D-lactate from pyruvate catalyzed by lactate dehydrogenase.
실리콘 나노선은 반응 표면적이 넓고 가시광선에서 흡광을 보이며 좋은 광촉매 성질을 갖고 있기 때문에 다양한 나노 디바이스 (i.e 태양전지, 광전기화학셀, 트렌지스터, 배터리)의 소재로 사용된다. 따라서 본 학위논문에서는 수소 표면처리된 실리콘 나노선을 이용하여 높은 효율을 갖는 생체촉매기반 인공광합성 시스템을 설계하였다. 금속을 이용한 화학 에칭방법을 사용하여 만들어진 수소 표면처리된 실리콘 나노선은 양자구속효과의 영향으로 더 넓어진 밴드갭을 가짐으로써 로듐 전자 매개체를 통하여 NAD+로 전자를 전달해주는 단계적인 전자전달 시스템을 가능하게 한다. 이러한 시스템은 가시광선영역($lambda$ > 420 nm)에서 2시간에 약 80%의 NADH를 재생시키며 글루타민산염 합성 효소반응을 가능하게 한다. 뿐만 아니라 수소 표면처리된 실리콘 나노선은 NADH를 재생하는데 필요한 수소화물을 제공해주는 재충전 가능한 템플렛을 제공한다. NADH가 재생되면서 수소로 처리된 표면의 Si-Hx 결합이 산화되면서 Si-OH와 Si-O-Si 와 같은 새로운 결합이 생기며 수소가스가 발생하게 된다. 이처럼 생성된 수소가스는 NADH 재생에 필요한 수소화물을 제공한다. 산화된 실리콘 나노선의 표면을 불산 용액에 다시 처리하면 표면에 수소 처리가 재충전되어 NADH 재생과 효소반응을 하여 피루빈산염에서 젖산을 합성해낼 수 있다. 이렇듯 본 연구에서는 재충전이 가능한 광촉매 템플릿인 수소 표면처리된 실리콘 나노선을 이용하여 생체촉매반응에 새로운 응용 가능성을 제시한다.
