꽃에게 배운 과학기술…인공광합성

2017.05.08 09:00
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어버이 날, 스승의 날, 부부의 날…. 꽃을 주고받을 경조사가 많은 가족의 달 5월이 왔다. 꽃에는 선물하는 사람의 애정이 담겨 사람들을 즐겁게 한다. 하지만 과학자들은 꽃을 해석해 또 다른 즐거움을 탐색하고 있다. 꽃의 생명 유지 비결을 과학적으로 모방해 유용한 자원을 얻어내는 기술을 개발했기 때문이다.

 

● 엽록소를 태양전지로…반도체의 광합성

 

꽃과 같은 식물은 공기 중의 이산화탄소, 뿌리로 흡수한 물 그리고 흡수한 태양빛을 이용해 에너지원인 포도당을 합성한다. 이 광합성 과정이 식물의 생명 유지 비결이다. 식물의 광합성을 반도체 기술에 적용해 유용한 자원을 만들어내는 공정을 ‘인공광합성’이라고 한다.

 

식물의 광합성이 엽록소에서 이뤄진다면, 반도체의 광합성에선 태양전지가 엽록소의 역할을 한다. 엽록소가 태양빛을 흡수해 물과 이산화탄소를 분해하는 화학에너지를 얻듯, 태양전지는 자원 합성에 필요한 전기에너지를 만든다.

 

식물을 모방하며 시작됐지만, 효율 측면에서는 이미 인공광합성의 압승이다. 식물의 광합성 효율은 1%다. 태양으로부터 100의 에너지를 얻는다면 최종적으로 나온 물질의 열량이 1이라는 의미다. 하지만 인공광합성 장치의 효율은 이미 5~6%를 넘겼다.

 

인공광합성 장치는 공기 중 물과 이산화탄소를 분해하고, 이리 저리 합성해가며 다양한 물질을 생산해낸다. 공해를 유발하는 이산화탄소를 없애는 동시에 유용한 물질까지 만들어내는 1석 2조의 효과를 볼 수 있다.

 

● 수소, 메탄올부터 플라스틱 원료까지

 

인공광합성을 토대로 얻을 수 있는 물질은 다양하다. 기본적으로는 태양전지가 만들어낸 전기로 물(H₂O)을 분해해 수소와 산소를 만들 수 있다. 이재성 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀이 지난해 12월 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 12월호에 발표한 인공나뭇잎이 대표적이다. 수소는 공해를 유발하지 않는 에너지원으로 자동차 등의 연료로 사용할 수 있다.

 

 

이미지 확대하기이산화탄소로부터 포름산을 만드는
이산화탄소로부터 포름산을 만드는 '인공광합성' 개념도 - 한국화학연구원 제공

물을 수소이온(H⁺)의 형태로 분해한 뒤 이산화탄소와 반응시키면 더 다양한 탄소화합물 제조가 가능하다. 수소이온을 이용해 이산화탄소를 탄소와 산소가 하나씩 결합한 형태의 일산화탄소(CO)로 만든 다음, 여러 가지 다른 화학반응을 유발시키는 것이다.

 

백진욱 한국화학연구원 책임연구원 팀은 이를 통해 자동차의 연료인 ‘메탄올’을 비롯해 개미산으로 알려진 ‘포름산’을 만들어냈다. 포름산은 고무제품, 섬유염색, 세척제, 향료, 살충제, 연료전지의 연료 등을 만드는 데 필수적인 화학물질이다. 이들 탄소화합물을 만드는 데는 예전처럼 석유나 천연가스를 화학적으로 분해하는 공정은 필요 없다.

 

백 연구원은 “인공광합성을 이용하면 환경오염 없이도 유용 자원을 얻을 수 있다는 장점이 있다”며 “태양광으로 여러 화학물질을 생산할 수 있는 ‘태양광 화학 공장(Solar Chemical Factory)’을 구현하는 것이 최종 목표”라고 말했다.

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