With rise in greenhouse gas and $CO_2$ level in atmosphere, various consequences are affecting global climatic issues, economies and concern for general populations health. In order to contend with potential harms to global impact, Carbon Capture Storage (CCS) and Carbon Capture Utilization (CCU) strategies have been widely developed by scientific communities. While CCS focuses on carbon dioxide storage at high temperature, CCU further approaches the global issues by applying its stored carbon dioxide and utilize into making something useful. However, as carbon dioxide is known to be at the most stable form, large amount of energy is required to convert it back into something useful. For CCU strategy to be feasible as a probable strategy, one must consider the carbon footprint, thus conversion must take absolute minimal amount of energy. Previous studies have indicated conversion of carbon dioxide into cyclic carbonates may be a feasible strategy as it requires comparably low energy and does not require a redox reagent to change states in a suitable catalytic system. However, from sustainable perspective, the challenge associated with most of previously reported systems requires high pressure condition with use of co-catalyst to enhance the reaction activity. Our approach uses nano-porous materials having inherent features such as high specific surface area and high porosity with tenability of chemical functionalities. Thus, we expect its intrinsic nature of nano-porous materials will furnish the availability of active sites per amount of substrate, hence accelerating the overall rate of reaction. Hereby, we report comprehensive synthesis of quaternary ammonium salts grafted nano-porous covalent organic polymers (COPs). Furthermore, we report exceptional carbon dioxide utilization in ambient pressure without using co-catalyst and solvent. We observed that our positive charged COP catalyst showed excellent conversion and selectivity for substrates like epichlorohydrin under ambient pressure and co-catalyst/additive free conditions. Also, the catalyst shows high conversion (>99%), high selectivity (>99%), and thermal stability up to $400^\circ C$.
19세기 산업혁명 이후 화석연료 사용 인한 지속적인 온실가스 배출로 인한 지구온난화와 기후변화의 가속화가 진행되었다. 이에 대한 방안으로, 최근 이산화탄소를 원료로 활용하여 다양한 고부가가치의 화합물로 전환하여 이용하는 이산화탄소 전환이 촉망받고 있다. 그 중 이산화탄소와 에폭사이드를 이용한 고리형 카보네이트로의 전환은 발열반응, 산화제나 환원제가 필요하지 않는다는 점, 고리형 카보네이트의 다양한 활용성 등의 장점들로부터 반응 시 필요한 촉매에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 불균일계 촉매는 분리/재활용에 편리하여 산업에 실현가능성이 높아 선호된다. 오늘 날 대부분의 보고된 연구들은 불균일계 촉매 활성도를 높이기 위해 조촉매나 고압을 필요로 하지만, 지속가능성을 볼 때 언급된 요소들은 상용화을 위해 개선되어야 할 부분들이다. 따라서, 본 학위논문에서는 높은 표면적과 다공성을 가진 나노 다공성 고분자에 4차 암모늄 염 기능기를 첨가하여 촉매점을 만들어 나노 다공성 물질의 본질적 성질로부터 기인한 촉매 활성도를 높일 것으로 가정하여, 4차 암모늄 기반의 새로운 촉매를 합성하고 그에 대한 특징 및 성능을 확인 하였다. 보다 온화한 조건인 1기압에서 이산화탄소를 조촉매와 용매를 없이 높은 전환율 (> 99 %)과 높은 선택성 (> 99 %)으로 고리화 첨가반응 할 수 있음을 보였다. 1장에서는 다공성 고분자의 종류 및 장단점을 소개하며, 2장에서는 새로운 합성법과 구조분석법, 3장에서는 결과에 따른 해석을 통하여 4장에서 결론을 다룬다. 이를 통하여, 이산화탄소전환과 다공성 고분자의 앞으로의 방향성을 제시하고자 한다.
