제 1 편. 새로운 균일 전이 금속 촉매의 합성과 특성 분석 및 반응성 연구
첫 번째 주기 전이 금속을 포함하는 많은 금속 효소는 다양한 유기 기질의 촉매 산소화에 관여한다. 금속-산소 종은 이러한 촉매 산화 반응에서 중요한 역할을 하는 중간체로 알려져 있다. 이에 생무기 화학 분야에서는 다양한 리간드 디자인하고 금속 화합물을 합성하여 해당 화합물의 금속-산소 종 중간체를 합성, 그 구조와 반응성을 분석하는 연구가 이루어져 왔다. 이 과정에서 기존에 알려진 금속-옥소, -퍼옥소, -수퍼옥소, -하이드로퍼옥소와 같은 중간체들에 대해 보다 깊이 있는 이해가 가능하게 되었고, 더불어 반응성을 갖는 새로운 중간체들이 대두되기도 하였다. 금속-수산화물과 금속-산화제 첨가 생성물은 새롭게 주목받게 된 중간체의 예시들로 C-H 결합 활성화, 산소 원자 전달 반응, 전자 전달 반응 등 다양한 반응성을 갖는 것으로 보고되고 있다.
이에 본 연구의 제 1, 2 장에서는 금속-산화제 첨가 생성물의 예시로 코발트와 구리 금속 화합물의 요오드실벤젠 첨가 화합물을 합성하고 구조적 특성 및 반응성을 연구하였다. 특히 제 1 장에서는 산화 환원 비활성 금속이 금속-요오드실벤젠 화합물에 결합되었을 때 전자 전달 반응성에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 결합된 산화 환원 비활성 금속의 루이스 산도가 증가할수록 화합물의 재구조화 에너지가 감소하는 상관관계를 확인할 수 있었다.
제 3, 4 장에서는 금속-수산화물의 예시로 망간과 아연 수산화물을 합성하고 구조적 특성 분석과 반응성 연구를 수행하였다. 제 3 장에서는 단핵 금속-수산화물에 비해 비교적 연구가 진행되지 않은 이핵 금속-수산화 화합물의 화학적 특성 및 반응성에 대한 연구를 수행하였다. 제 4 장에서는 동일한 리간드 시스템을 갖는 단핵, 이핵 금속 화합물을 합성하고 그 금속-수산화물이 갖는 인산화 반응성을 비교 분석하였다.
제 2 편. 전이 금속을 도입한 새로운 균일, 불균일 촉매의 합성 및 반응성 개선
화석연료는 한정된 자원일 뿐만 아니라 사용 과정에서 발생되는 유해 물질에 의한 환경 오염과 같은 단점을 가지는 에너지원이다. 이에 많은 연구자들은 화석연료 사용 과정에서 발생된 유해 물질을 분해하는 촉매나 화석 연료를 대체하기 위한 재생에너지원을 개발하기 위해 노력해왔다. 그 결과 다양한 에너지원이 후보로 제시되었지만, 에너지 운반체 저장 및 분배의 어려움 등 여러 한계를 가지고 있다. 따라서 재생에너지의 개발은 에너지 발전과 더불어 에너지 저장 시스템의 지속적인 개발이 동반되어야 한다.
본 논문의 제 2 편에서는 기존에 보고된 화합물에 전이 금속을 도입하여 광촉매 및 에너지 저장 효율이 향상된 연구 결과에 대해 서술하였다. 제 1 장에서는 전이 금속이 도입된 삼핵 루테늄 화합물을 전해질로 사용하여 에너지 저장 시스템 중 하나인 산화 환원 흐름 배터리의 구현을 제안하였다. 전이 금속의 도입으로 화합물이 갖는 산화 환원 퍼텐셜 값을 조율함으로써 2.4 V 의 에너지를 저장할 수 있는 시스템을 개발할 수 있었다. 제 2, 3 장에서는 각각 텅스텐 산화물과 아연 산화물에 전이 금속을 도핑함으로써 광반응을 통한 환경 유해물질의 분해와 재생에너지원의 합성 효율이 증가함을 확인하였다. 다양한 분광학적 분석을 통해 두 광촉매 모두에서 전이 금속 도핑은 금속 산화물의 산소 빈 자리 수를 증가시켜 반응성이 향상되는 것으로 밝혀졌다.