전복 껍데기 구조 모방해 인공광합성 효율 2.5배로

2019.01.29 16:26
이미지 확대하기전복 껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조다. 국내연구진이 이런 구조를 모방해 만든 전극으로 인공광합성 효율을 기존 대비 2.5배로 늘리는 데 성공했다.게티이미지뱅크
전복 껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조다. 국내연구진이 이런 구조를 모방해 만든 전극으로 인공광합성 효율을 기존 대비 2.5배로 늘리는 데 성공했다. 게티이미지뱅크


국내 연구진이 전복 껍데기의 형상을 모방해 만든 전극으로 태양광에너지를 생체에너지로 바꾸는 인공광합성 효율을 기존보다 2.5배로 늘리는 데 성공했다.

 

류정기 울산과학기술원(UNIST) 교수와 김병수 연세대 교수 공동 연구팀은 산화그래핀과 분자촉매를 정교하게 조립해 전복 껍데기의 진주층 구조를 모방한 전극으로 인공광합성의 효율을 향상시키는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

 

인공광합성은 식물이나 조류의 광합성처럼 태양에너지를 이용해 생체에너지(ATP)를 생산하는 기술로, 인공광합성을 활용하면 미생물로 유용한 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있어 주목을 받고 있다. 하지만 백금, 이리듐 등 촉매를 활용한 기존 인공광합성은 효율이 떨어지고 비용이 많이 든다는 문제가 있었다.

 

연구진은 소량으로도 촉매 활성이 높은 분자 촉매에 주목했다. 특히 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 분자 촉매를 고정하는 데 유리한 전복 껍데기의 진주층 구조에서 아이디어를 얻었다. 류 교수는 “전복 껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조”라며 “‘키틴’과 같은 유기물이 접착제 역할을 해 판상의 탄산칼슘을 고정시키고 전복 껍데기의 강도를 향상시키는 것으로 나타났다”고 말했다. 
 

이미지 확대하기전북 껍데기(왼쪽)의 진주층을 확대한 모습(오른쪽 위)과 이런 구조를 모방해 산화그래핀과 분자 촉매를 층상으로 겹겹이 쌓은 전극을 확대한 모습(오른쪽 아래). 자료: 한국연구재단
전북 껍데기(왼쪽)의 진주층을 확대한 모습(오른쪽 위)과 이런 구조를 모방해 산화그래핀과 분자 촉매를 층상으로 겹겹이 쌓은 전극을 확대한 모습(오른쪽 아래). 자료: 한국연구재단

이에 착안해 연구진은 분자 촉매와 유기물인 산화그래핀을 전극 표면에 층상으로 쌓았다. 그 결과 산화그래핀이 접착제 역할을 해 분자 촉매가 정전기적 인력에 의해 안정적으로 전극 표면에 밀착되는 것으로 나타났다. 또 산화그래핀 특유의 높은 전기전도도로 인해 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달하는 데도 도움이 됐다. 이렇게 만든 전극의 인공광합성 효율은 기존 대비 2.5배로 크게 늘어난 것으로 확인됐다.

 

류 교수는 “이번 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해 쉽고 간편하게 설계, 개발한 것”이라며 ”향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다“고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’ 22일자 표지논문으로 게재됐다.

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