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1. Metal Nanoclusters

본 연구실에서는 새로운 크기가 5 nm 이하의 금속 나노클러스터를 합성하여 촉매, 센서, 광전자 공학, 태양 에너지 변환 등에 응용하는 것을 목적으로 연구 하고 있다. 수백에서 수천 개의 원자로 구성된 금속 나노클러스터를 다양한 합성법에 의해 합성하고, 합성된 나노클러스터의 크기와 조성 및 모양에 따른 다양한 물리적, 화학적 특성의 변화를 규명하는 것이 본 연구실에서 주목하고 있는 점들이다. 뿐만 아니라, 안정한 금 또는 은 나노클러스터의 특수한 구조 속에 구리, 은, 백금, 팔라듐 등의 외부 금속을 도입함으로써, 새롭게 출현하는 특성 변화의 원인을 규명하고 이를 촉매 반응에 이용하는 연구를 진행하고 있다.

특히 나노클러스터의 전기화학적 및 광학적 특성은 본 연구실에서 심층적으로 연구되고 있는 주제이다. 이러한 나노물질의 구조 및 특성 연구에 사용하는 분석기법으로는 Transmission electron microscopy (TEM), Mass Spectrometry, Electrochemistry, 그리고 Steady-State/Time-Resolved Spectrometry (Absorbance, Photoluminescence)가있다.

2. Highly Luminescent Metal Nanoclusters

최근 형광을 나타내는 금속 나노클러스터는 높은 화학적 안정성과 독특한 광학적 특성으로 인하여 바이오 이미징, 화학적 센서로 많이 이용 되고 있다. 또한 리간드로 둘러싸인 구조를 지니는 나노클러스터는 다양한 튜닝을 통하여 나노클러스터 자체의 물성을 변화 시킬 수 있고, 다른 물질과의 결합에도 용이하다는 장점을 가지고 있다.

본 연구실에서는 형광을 크게 나타내는 다양한 금속 나노클러스터를 합성하고, 온도, 용매, 양이온 또는 단백질과의 결합을 통하여 형광의 변화를 관찰하며, 형광의 발생 메커니즘에 대한 심도 깊은 연구를 진행하고 있다. 특히 본 연구실은 금속 나노클러스터에 거대 구조의 양이온을 붙임으로써 형광의 크기를 9배 이상 크게 증가시키는 기술을 보유하고 있으며, 이와 같은 큰 형광을 나타내는 금속 나노클러스터는 높은 양자수득률 (Quantum Yield)과 안정성으로 인하여 바이오 센서, 이미징, 디스플레이 등 다양한 분야에서 응용이 가능 할 것으로 기대된다.

3. Carbon Dioxide (CO2) Conversion

화석 연료 사용량의 급증으로 인한 에너지의 고갈과 환경오염은 지속 가능한 성장을 방해하는 큰 요인이며, 특히 그 중에서 이산화탄소는 온실가스의 주 원인으로 지목되고 있다. 하지만 이산화탄소를 재활용한다면 오염물질의 저감뿐만 아니라 일산화탄소, 수소, 포름산, 알코올 등 재사용 가능한 연료로의 전환이 가능하기 때문에 최근 각국에서는 전략적으로 이산화탄소를 전환하기 위한 연구를 진행하고 있다.

본 연구실에서는 리간드로 보호된 금속 나노클러스터를 활용하여 전기화학적, 광학적으로 이산화탄소를 전환하는 방법을 연구하고 있으며 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 등 다양한 금속을 이용한 나노클러스터 촉매를 제작하여 리간드의 친수성, 소수성 등 성질 변화를 통해 이산화탄소 전환의 효율을 높이기 위한 방법을 모색하고 있다. 특히 촉매의 종류에 따라 생성되는 다양한 생성물을 Gas Chromatography, NMR 등으로 분석하여 그 선택성의 향상을 노력하고 있으며, 궁극적으로는 더 낮은 전기적, 광학적 에너지의 주입으로 선택적 전환이 가능한 촉매의 개발을 목표로 하고 있다.

4. Electrochemical Sensors

전기화학적 센서는 다양한 분석 물질을 측정하도록 설계되었으며 감도, 선택성, 그리고 안정도가 증가하도록 제작된다. 최근에는 생체 친화적인 금 나노클러스터의 높은 촉매 활성과 전기화학적 특성을 이용하여 여러 종류의 바이오센서가 제작되고 있으며, 특히 산화/환원 효소 또는 단백질 감지 요소와 같은 생물학적 환경이 추가된 전기화학적 바이오센서는 특정 물질에 대해 높은 선택성을 인정받아 주목받는 연구/개발 중 하나이다.

본 연구실에서는 크기가 1 nm 인 금속 나노클러스터 기반의 전기화학적 센서를 제작하고, 나노클러스터의 독특한 전기화학적 특징과 높은 촉매화학적 활성이 어떻게 바이오물질의 분석에 응용될 수 있으며 또 어떻게 바이오 물질과 결합 시킬 수 있을지에 초점을 맞춰 연구를 진행하고 있다. 센서의 감도는 사용된 나노클러스터의 전기적 촉매의 활성에 의존하므로, 다양한 크기 및 조성의 나노클러스터를 다양한 리간드로 제조하여 그 특성을 센서의 성능 증진에 적용한다.