Chapter 1 elucidates lignin and their attractive properties (e.g., physical properties, redox activity, and
metal ion chelation/reduction) as a functional material. Recent developments in lignin processing, integration,
and applications in the areas of energy conversion, energy storage, and environmental remediation are outlined.
This chapter paves the way to future potentials and opportunities of lignin as a renewable material for energy and environmental applications.
Chapter 2 describes a sustainable photosynthetic platform through lignin-assisted stabilization of porous
CaCO3 vaterite microspheres for integrated artificial photosynthesis through encapsulation of key active
components such as photosensitizer (eosin y, EY) and redox enzyme (L-glutamate dehydrogenase, GDH). The
lignin-vaterite/EY/GDH photobiocatalytic platform enabled regeneration of reduced nicotinamide cofactor under
visible light and facilitated rapid conversion of α-ketoglutarate to L-glutamate. This chapter provides a simple approach for solar-to-chemical conversion using a sustainable, integrated light-harvesting system.
Chapter 3 demonstrates the capability of lignin-induced vaterite as a versatile sacrificial-template for the
synthesis of nanostructured metal oxide minerals [e.g., Zn(CO$_3$)$_x$(OH)$_y$⋅n H$_2$O, FeOOH, Cu$_2$Cl(OH)$_3$, and MnCO$_3$] through a simple and environmentally friend procedures. Urchin-like ZnO nanostructures were
prepared followed by calcination the as-synthesized zinc hydroxide carbonate at different temperatures, and
their photocatalytic performance in H$_2$O$_2$ production was examined under simulated sunlight irradiation, which was further coupled with H$_2$O$_2$-mediated peroxygenase catalytic reaction. This results suggests a plausible strategy for facile synthesis of nanostructured electrocatalysts through biomimetic CaCO$_3$ mineralization.
Lastly, Chapter 4 presents the bias-free, solar reformation of lignin coupled with redox biotransformation
in a tandem structure of a BiVO$_4$ photoanode and perovskite photovoltaic. BiVO$_4$-catalyzed
photoelectrochemical oxidation of lignin facilitated the fragmentation of higher molecular weight lignin into
smaller carboxylated aliphatic and aromatic acids. Lignin oxidation induced photocurrent generation at the
photoanode, which enabled efficient electroenzymatic reactions at the cathode. This chapter shows the oxidative
valorization of lignin as well as biocatalytic reductions in an unbiased biocatalytic PEC platform, which
provides a new strategic approach for photo-biocatalysis using naturally abundant renewable resources.
리그닌은 지구상에서 두 번째로 풍부한 유기물질로 다양한 매력적인 물리화학적 성질을 가지고
있으나 산업적으로 충분히 활용되지 못하고 있다. 대부분의 리그닌은 쓸모없는 부산물로
여겨지고 있으며 이를 처리하는 과정에서 환경 문제가 발생한다. 본 논문은 효율적인 태양-화학
전환을위해 리그닌 기반 소재를 이용한 광화학 및 광전자화학 플랫폼의 설계 전략을 설명한다.
구체적으로 광촉매와 산화환원 효소를 고정화한 탄산칼슘을 합성하고 이를 이용하여
광화학적으로 NADH를 재생성하여 생체촉매 환원반응을 유도하려고 한다. 탄산칼슘 합성 과정에서
리그닌을 첨가하면 다공성 바테라이트를 합성할 수 있다. 리그닌에 의해 유도된 바테라이트
구조는 활성 성분의장기적인 보호와 재활용을 가능하게 하고, 산화환원 활성 리그닌에 의한
광합성 반응을 촉진한다. 또한, 리그닌 유도 바테라이트는 단순하고 환경 친화적인 절차를 통해
나노 구조 금속 산화물 광물의 합성을 위한 다용도 희생제였다. 성게와 유사한 ZnO 나노구조는
다른 온도에서 합성된수산화 아연 탄산염을 석회화한 후 준비되었고, H2O2 생성에서의 광촉매적
성능을 시뮬레이션된햇빛으로 조사했으며, H2O2 매개 과산화효소 촉매 반응 유도에 사용했다.
마지막으로 가시광선을통해 여기된 비스무스 바나데이트 광음전극의 산화력을 이용하여 아로마틱
리그닌 거대분자의 연결고리를 분해하여 전자를 추출하고, 산화반응의 부산물로 상업적으로
유용한 다양한화합물들을얻고자 한다. 광음전극에서의 리그닌 분해 산화반응에 대한 카운터
반응으로 탄소소재의 음전극에서의 전기화학적 조효소 환원 반응을 연결하고, 이를 이용하는
산화환원 효소에 의한유용물질생산반응 체계를 구축할 것이다. 광음전극-태양전지-양전극으로
이루어진 광전기화학 셀을 통해태양광에 의한 자발적인 리그닌 산화 및 생화학적 환원반응을
유도하여 유용물질생산하는 청정생산시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.
