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Bio-inspired metal-organic hybrid structures for photochemical applications = 광화학적 응용을 위한 생체모방형 유무기 하이브리드 구조체
서명 / 저자 Bio-inspired metal-organic hybrid structures for photochemical applications = 광화학적 응용을 위한 생체모방형 유무기 하이브리드 구조체 / Kyeong Rak Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2020].
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8036697

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DMS 20048

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Metal recovery from industrial wastewater has recently received much attention, particularly regarding the recycling of precious metals and the prevention of hazardous heavy metals emission. For example, precious metal recovery from electronic waste (E-waste) has been termed ‘urban mining’, and aims to recover precious metals that have accumulated in industrial wastes. In this dissertation, I introduced the photochemical approach for metal ion recovery from E-waste using inorganic-organic hybrid materials through various biomimetic surface modification including polyphenol mediated surface modification and mussel-inspired polydopamine. First, the mussel-inspired catechol oxidative chemistry for the synthesis of colloidal metal nanoparticles is further investigated using a catechol-grafted polymer. The catechol-grafted polymer acts as a polymer template, which leads to the formation of dendritic gold nanostructures the spontaneous reduction of metal ions complexed with the catechol-grafted polymer. Second, colloidal porous hybrid microspheres were synthesized via polydopamine (PDA) coating to enhance the adsorption of gold ions when irradiated with light. The polymer microspheres coated with polydopamine were irradiated with light to greatly increase the adsorption of gold ions. The Langmuir adsorption theory was used to investigate the adsorption of gold ions, and it was shown that only gold ions were adsorbed selectively even when various metals were included. Finally, tannins and titanium dioxides were used to synthesize direct Z-scheme heterostructures that can further amplify gold ion adsorption when exposed to light. Titanium dioxide can excite electrons in both the support and the coating layer, and also recombine the electrons of the titanium dioxide and the holes of tannin through energy band differences, thereby further promoting gold ion adsorption and reduction. These findings suggest that the direct Z-scheme heterostructure of polyphenol and semiconductor provides a promising photochemical pathway for efficient and selective metal ion recovery from electronic waste.

산업 폐수로부터의 금속 회수는 최근 특히 귀금속의 재활용 및 유해 중금속 배출 방지와 관련하여 많은 관심을 받고 있다. 전자 폐기물 (E-waste)에서 귀금속 회수는 산업 폐기물에 축적 된 귀금속을 회수하는 것을 목표로 하며, 전자 폐기물의 빠른 증가를 고려할 때 이는 자연 채광과 비교해봐도 상당한 양이라 할 수 있어 '도시 광업 (urban mining)'이라고 불린다. 특히, 전자 폐기물에서 발견되는 귀금속 중 금은 높은 범용성과 경제적 가치로 인해 학계/산업계 전반에서 상당한 관심을 끌고 있다. 하지만, 이에 대한 기존 기술은 귀금속 이온에 대한 높은 비용과 낮은 선택성으로 인해 아직 널리 적용되지 못하였다. 이 논문에서는 폴리 페놀 및 홍합에서 영감을 받은 폴리도파민을 포함한 다양한 생체 모방 표면 수정을 통해 무기-유기 하이브리드 물질을 사용하여 전자 폐기물에서 금속 이온 회수를 위한 광 화학적 접근법을 소개한다. 첫번째로, 홍합 접착 특성에 기여하는 기능기인 카테콜기가 도입된 고분자 사슬을 이용하여 카테콜의 산화 특성을 활용한 금속 나노입자 합성에 대해 조사하였다. 카테콜기와 결합한 금속 이온이 고분자 사슬을 따라 자발적으로 환원되고, 환원된 입자간에 서로 연결됨에 따라 덴드라이트 구조를 지니는 금 나노구조체를 합성할 수 있었다. 두번째로, 홍합 접착 단백질에서 모방한 폴리도파민 코팅을 이용하여 빛을 쬐어주었을 때 금 이온 흡착을 증폭시킬 수 있는 콜로이드 다공성 고분자 미립구를 합성하였다. 특히, 폴리도파민으로 코팅된 표면은 금속 이온을 금속 나노입자로 환원시킬 수 있는 충분한 환원 능력을 지니고 있다. 그리고 폴리페놀기의 경우 빛을 쬐어주었을 때 광산화 반응이 일어나 전자가 여기되는데, 이를 통해 금 환원 반응을 더욱 더 촉진시킬 수 있다. 따라서 폴리도파민 코팅이 된 고분자 미립구에 빛을 쬐어 주어 금 이온 흡착을 크게 증가시켰다. 랭뮤어 흡착 이론을 통해 금 이온 흡착을 분석하였으며, 다양한 금속이 포함되어 있는 경우에도 금 이온만 선택적으로 흡착함을 보였다. 마지막으로, 와인, 초콜릿 등에서 함유되어 있는 탄닌 및, 광촉매로 널리 이용되고 있는 이산화티타늄을 이용하여 빛을 쬐어주었을 때 금 이온 흡착을 더욱 더 증폭시킬 수 있는 유무기 복합 나노입자를 합성하였다. 이산화티타늄 나노입자에 탄닌 코팅을 진행하였고, 탄닌으로 코팅된 표면은 폴리도파민과 마찬가지로 금속 이온을 금속 나노입자로 환원시킬 수 있는 충분한 환원 능력을 지니고 있어, 금속 이온의 환원을 유도함과 동시에 금속 나노입자를 지지체 표면에 흡착시키는 역할을 한다. 그리고 또한 광산화 반응으로 인하여 빛을 쬐어주었을 때 전자가 여기될 수 있다. 게다가 이 연구의 경우 지지체를 광촉매로 사용되는 이산화티타늄을 이용하여, 지지체 및 코팅층 모두에서 전자를 여기시킬 수 있고, 또한 에너지 밴드 차이를 통해 이산화티타늄의 전자와 탄닌의 정공이 재결합함에 따라, 탄닌에서의 광전자 수명이 증가하여 이를 통해 금 이온 흡착 및 환원을 더욱 더 촉진시킬 수 있다. 랭뮤어 흡착 이론을 통해 금 이온 흡착을 분석하였으며, 다양한 금속이 포함되어 있는 경우에도 금 이온만 선택적으로 흡착함을 보였다. 이를 통해 산업 폐수에서 귀중한 금속들만 선택적으로 추출해낼 수 있을 것으로 기대되며, 이 접근 방법은 금 회수를 위한 광 강화 금 이온 흡착 및 반응성 산소 종의 생성을 억제하는 자외선 차폐 필터와 같은 광범위한 광화학 응용에 적용될 수 있음을 보여 주었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 20048
형태사항 x, 137 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김경락
지도교수의 영문표기 : Yoon Sung Nam
지도교수의 한글표기 : 남윤성
수록잡지명 : "Morphological Evolution of Gold Nanoparticles into Nanodendrites Using Catechol-Grafted Polymer Templates". ACS Omega, v. 3, no. 6, pp. 6683-6691(2018)
수록잡지명 : "Direct Z-scheme Tannin-TiO2 Heterostructure for Photocatalytic Gold Recovery from Electronic Waste". ACS Sustainable Chemistry & Engineering, v. 8, no.19, pp. 7359-7370(2020)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 123-132
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