인공광합성 일어나는 '찰나의 순간' 세계 최초로 포착 성공

2019.06.04 13:56
인공광합성이란  태양빛만을 이용해 이산화탄소로부터 유용한 화합물을 만드는 시스템이다. 픽사베이
인공광합성이란 태양빛만을 이용해 이산화탄소로부터 유용한 화합물을 만드는 시스템이다. 픽사베이

국내 연구팀이 태양빛을 받은 광촉매가 전자를 내는 찰나의 순간을 초당 1조 회를 촬영하는 기법을 통해 최초로 포착하는 데 성공했다.

 

백진욱 한국화학연구원 이산화탄소에너지벡터연구센터 센터장 연구팀은 빛이 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 광촉매에 쏘아졌을 때 광촉매에서 전자와 전자가 빠져나간 자리인 정공이 생성되는 찰나의 순간을 세계 최초로 포착했다고 4일 밝혔다.

 

인공광합성은 태양빛만을 이용해 이산화탄소로부터 유용한 화합물을 만드는 시스템이다. 이산화탄소를 산소로 변환하며 에너지를 저장하는 식물의 광합성에서 착안했다. 하지만 포도당만 생산하는 자연 광합성과 달리 포름산과 메탄올, 의약품 등 여러 화합물을 선택적으로 생산할 수 있다. 이를 위해 필요한 광촉매 소재로 주목받는 것이 인공광합성 공유결합성 유기 골격체(COF)다. COF는 원자들이 공유결합으로 연결된 구조체로 표면적이 넓은 필름 형태로 제작할 수 있는 장점이 있다.

 

백진욱 한국화학연구원 이산화탄소에너지벡터연구센터장 연구팀은 태양빛을 받은 광촉매가 전자를 내는 찰나의 순간을 포착하는 데 성공했다. 한국화학연구원 제공
백진욱 한국화학연구원 이산화탄소에너지벡터연구센터장 연구팀은 태양빛을 받은 광촉매가 전자를 내는 찰나의 순간을 포착하는 데 성공했다. 한국화학연구원 제공

연구팀은 펨토초(fs, 1000조분의 1초) 레이저 기술로 빛이 촉매에 닿는 찰나의 순간을 관찰했다. 이 기술은 fs 단위로 쏘는 레이저를 활용해 찰나에 변화하는 분자의 전자 구조를 실시간으로 측정하는 기법이다. 초당 1조 번 사진을 찍는 초고속 카메라로 빛이 닿는 순간을 관찰해 분자의 변화를 실시간을 본 것이다.

 

그 결과 빛이 흡수된 순간 전하가 에너지를 받아 빠져나가는 순간을 포착하는 데 성공했다. COF 광촉매에서는 빛이 흡수된 후 전하가 분리돼 극고속으로 광촉매 표면으로 이동하는 과정을 통해 빛이 화학에너지로 바뀌게 되는데 이때 전하가 분리되는 과정을 최초로 관측한 것이다. 빛이 COF 광촉매에 흡수된 후 생긴 전자가 표면으로 이동하는 것은 규명됐으나 전자가 생성되는 순간을 포착한 것은 이번이 처음이다.

 

백 센터장은 “COF 광촉매상에 빛이 조사되자마자 전자와 정공이 어떻게 생성되고 움직이는지 원리를 알게 됐다”며 “앞으로 인공광합성용 광촉매 성능을 향상할 수 있는 밑바탕을 마련한 것”이라고 말했다.

 

연구결과는 4월 23일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 실렸다.

COF 광촉매는 태양빛을 받아 전자를 내면서 화학에너지를 얻게 되는데, 연구팀은 이 순간을 펨토초 레이저를 통해 관찰하는 데 성공했다. 한국화학연구원 제공
COF 광촉매는 태양빛을 받아 전자를 내면서 화학에너지를 얻게 되는데, 연구팀은 이 순간을 펨토초 레이저를 통해 관찰하는 데 성공했다. 한국화학연구원 제공

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