Energy storage technologies have attracted great attention as global demand for energy is increasing rapidly. This thesis describes the design strategies of organic materials using bio-inspired peptides and single organic molecules for photochemical and electrical energy storage.
Chapter 1 report the synthesis of self-assembled, insulin-based amyloid nanofibrils that are hybridized with light-responsive dyes (i.e., thioflavin-T, ThT) to mimic natural photosystems. The work presents the potential of self-assembled amyloid nanofibrils as a light-harvesting scaffold for visible light driven NADH regeneration with a biocatalytic module for enzymatic reduction reaction in colloidal system.
Chapter 2 demonstrates visible-light driven regeneration of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) using solvatochromic Congo red (CR) hybridized with an amyloid-derived peptide (Fmoc-FF) hydrogel system. This study adds a new dimension to the research on self-assembled amyloid materials for biocatalytic oxidized photochemical storage.
Chapter 3 unveils that the proton-coupled redox reaction of a single organic molecule in an aqueous solution can be translated to the lithium-coupled redox reaction of a single organic molecule in a lithium-based organic electrolyte by using phenoxazin-3-one (i.e., resorufin) as a new bio-inspired redox active molecule. The phenoxazin-3-one cathode delivered a high discharge capacity (298 mAh g-1) and fast rate capability (65% capacity retention at 10 C). The result provides insight into the design of a new class of bio-inspired organic electrode materials.
Chapter 4 presents the self-reinforced inductive effect in the symmetric bipolar QA derivative, N,N'-dimethylquinacridone (DMQA), which enables outstanding battery performance in the lithium-ion rechargeable battery system. DMQA, the symmetric bipolar organic molecule, exhibited the excellent battery performance. Excellent capacity retention is achieved at the average voltage of 3.85 V (vs. Li+/Li) and 1.68 V (vs. Li+/Li) during both p- and n-type reaction, which are suitable to work as the cathode and anode of the batteries, respectively. This chapter provides a new insight about energy storage capability of symmetric bipolar organic molecule and its self-reinforced inductive effect.
전 세계적으로 에너지 소비의 급격한 증가로 인하여, 차세대 에너지 저장 기술은 매우 큰 관심을 끌고 있다. 본 학위 논문에서는 친환경적이고 비용효율적인 것과 같은 다양한 장점을 가지고 있는 유기 재료를 활용하여 자연에서 영감을 받은 광화학 에너지와 전기적 에너지 저장에 관한 연구를 진행하였다. 광화확 에너지 저장 연구에서, 수용액 속에 존재하는 티오플라빈 분자가 결합된 자기 조립된 인슐린 아밀로이드 펩타이드를 유기 구조체로 활용하여 콜로이드 체계 내에서 광합성을 모방한 빛 에너지가 유도된 환원된 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 재생과 생체촉매 효소 환원을 통한 새로운 가치 있는 화학물질 합성을 보여주었다. 또한, 자기조립된 다이페닐알라닌 펩타이드를 하이드로젤로 만들어서, 고형화된 하이드로겔 체계내에서 효소 생체촉매 산화를 통한 새로운 가치있는 화합물질 합성도 보여주었다. 이 결과들은 빛에너지를 활용하여 새로운 광화학에너지 저장을 보여주었다. 다음으로, 전기적 에너지저장 연구에서 세포의 독성테스트등에 쓰이는 레조루핀 분자인 페녹사진 유도체의 수소이온이 결합된 산화-환원 반응을 이차전지 내에서 리튬이 결합된 산화-환원 반응으로 구현 하였다. 자연에서 영감을 얻은 페녹사진 유도체를 양극소재로 사용 한 배터리의 경우 매우 높은 방전 용량과 빠른 속도 성능을 보여 주었다. 마지막으로, 대칭성 퀴나크리돈 유도체인 다이메틸 퀴나크리돈의 자기 강화 유도효과를 리튬 이온 충전 전지 시스템 내에서 활용하여, 매우 안정적인 용량유지를 가지는 이차전지 시스템을 구현 하였다. 이러한 결과들은, 자연에서 영감을 얻은 유기분자의 에너지 저장 소재로의 가능성과 새로운 유기 전극 재료 설계에 대한 통찰력을 제공하였다.
