인공광합성, 효율 높일 방법 찾았다

2019.10.22 13:29
주오심 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 책임연구원과 채상윤 프리드리히알렉산더대 박사후연구원 연구팀은 빛 에너지를 활용하면 인공광합성의 효율이 높아지는 원리를 밝혀냈다. KIST 제공
주오심 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 책임연구원과 채상윤 프리드리히알렉산더대 박사후연구원 연구팀은 빛 에너지를 활용하면 인공광합성의 효율이 높아지는 원리를 밝혀냈다. KIST 제공

빛을 이용해 이산화탄소를 포도당 등 영양분으로 만드는 식물처럼 빛을 이용해 고부가가치 물질을 만드는 기술을 '인공광합성'이라고 한다. 국내 연구팀이 인공광합성의 효율을 높일 방법을 찾았다.

 

한국과학기술연구원(KIST)은 주오심 청정에너지연구센터 책임연구원과 채상윤 독일 프리드리히알렉산더대 박사후연구원팀이 기존의 인공광합성에서 활용되던 전기 에너지 대신 빛 에너지를 활용해 인공광합성의 효율을 높이는 방법을 찾았다고 22일 밝혔다.

 

연구팀은 기존의 인공광합성의 고질적 문제로 꼽히던 낮은 효율을 개선했다. 광합성을 하려면 이산화탄소에 전자나 수소이온을 더해 일산화탄소를 만드는 반응인 '환원 반응'을 거쳐야 한다. 그런데 기존 인공광합성의 경우, 수소이온이 환원 반응 외에 수소 분자를 만드는 부수적인 반응도 함께 일으키는 문제가 있었다. 이는 에너지를 분산시켜 일산화탄소 생산 효율을 자연광합성보다 낮게 만드는 원인이었다. 반면 자연광합성은 이산화탄소 환원 반응만 일어날 뿐 수소 분자는 만들지 않는다.

 

연구팀은 인공광합성 과정에서 빛 에너지만 직접 공급하면 자연광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있다는 사실을 발견했다. 인공광합성에는 태양광을 전기에너지로 바꾼 후 전기화학적으로 이산화탄소를 환원시키는 방법과, 광전기화학전지를 이용해 직접 태양광을 이용하는 방법 두 가지가 있다. 둘 중 전기에너지를 공급하는 방법은 전자의 에너지가 과도하게 높아지면서 물을 수소로 만드는 수소 생성 반응이 함께 일어났다. 하지만 빛 에너지를 쏘면 전자가 이산화탄소만 환원시킬 만큼의 에너지만 갖게 돼 수소 생성 반응이 나타나지 않았다.

 

연구팀은 빛 에너지만 쓰면 전자 대부분이 이산화탄소 환원 반응에만 쓰이는 것을 실험으로 확인했다. 전자는 수소 발생 반응을 일으키는 속도보다 빠르게 촉매로 전달돼 이산화탄소 환원 반응을 일으킨다. 그 결과 전자의 98%를 온전히 이산화탄소 환원 반응에 쓰는 인공광합성에 성공했다. 이는 전기에너지만 공급하는 방식이 전자의 14%만 이산화탄소 환원에 쓰는 것에 비해 효율을 월등히 높인 것이다.

 

주 책임연구원은 “이번 결과는 앞으로 인공광합성 모사 시스템을 디자인할 때 중요한 이론으로 활용될 것”이라고 말했다.

 

이 연구결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미’ 8월 27일자에 발표됐다.

 

KIST 제공
KIST 제공

 

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