식물을 모사한 인공 잎을 개발해 대기 중의 이산화탄소를 연료로 바꾸는 연구가 활발하다.

기후 변화가 매우 심각한 문제라는 것은 의심의 여지가 없다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 최근 보고서는 세계가 탄소 중립이 되더라도 문제는 계속 악화될 것이라고 지적한다. 이산화탄소 발생을 중단하는 것만으로는 충분하지 않으며 이미 있는 것을 제거해야 한다는 의미다.

지구 온난화 문제 해결에는 탄소 포집(또는 탄소 제거)이라는 기술이 필요하다. 온타리오 주 워털루대(University of Waterloo)의 국제 연구팀은 자연 식물의 실제의 탄소 제거 능력을 모방한 “인공 잎”을 만들었다. 인공 잎은 대기의 CO2를 유용한 대체 연료로 전환한다.

관련 연구는 최근 네이처 에너지(Nature Energy) 저널에 게재됐다. 미국 일리노이주 아르곤 국립실험실(Argonne National Laboratory, ANL)의 나노규모 재료연구소 연구원이자 워털루 나노기술연구소(Waterloo Institute for Nanotechnology, WIN)의 예민 우(Yimin A. Wu) 교수가 이끄는 팀은 캘리포니아 주립대(Northridge)와 홍콩 시립대(City University of Hong Kong)와 공동 연구했다.

자연에서 녹색 식물은 광합성 과정을 통해 대기 CO2와 물을 포도당과 산소로 변환한다. 이것은 화학 반응에 동력을 공급하기 위해 여러 파장(보라색-파랑 및 주황색-빨강)의 태양광을 흡수하는 엽록소 덕분에 가능하다. 그 후, 포도당은 식물에 의해 연료원으로서 사용되며, 이 과정에서 산소가 방출된다.

연구팀은 이 과정을 모사해 인공 잎을 디자인했다. 우 교수는 “우리는 그것을 실제 잎과 광합성 과정을 모방하기 때문에 인공 잎이라고 부른다. 잎은 포도당과 산소를 생성하고, 인공 잎은 메탄올과 산소를 생산한다”고 말했다.

이들 연구진이 2015년부터 작업해온 공정의 핵심은 가능한 많은 8면 입자를 갖도록 화학적으로 설계된 저렴한 적색 분말인 산화제일구리이다. 이 분말은 포도당, 아세트산 구리, 수산화 나트륨 및 소듐도데실설페이트가 지정된 온도로 가열된 물에 첨가되면서 화학 반응으로 생성된다.

이 분말은 물에 첨가돼 이산화탄소를 생성하고 태양광 시뮬레이터가 용액에 백색광을 비출때 촉매 역할을 한다. 생성된 화학 반응은 (광합성을 통해) 산소를 생성하는 반면 CO², 물 및 분말 용액은 메탄올로 전환된다. 메탄올은 물보다 비등점이 낮기 때문에 용액을 가열하고 증발하면서 메탄올을 수집한다.

이 과정은 영국 케임브리지대에서 수행되는 유사한 연구를 반영한다. 크리스티안 도플러 실험실(Christian Doppler Laboratory) 연구원들은 햇빛과 코발트 광 흡수기에서 생성된 광합성을 사용해 물과 CO2 가스를 합성 가스로 전환하는 장치를 개발했다. 이 물질은 수소와 일산화탄소의 혼합물로 만들어지며 대체 연료, 의약품, 플라스틱 및 비료의 제조에 사용된다.

또한 컬럼비아대 지속가능한 에너지센터 소장 클라우스 라크너(Klaus Lackner)가 개발한 ‘인공 나무’개념과도 유사하다. 몇 년 전, 라크너는 수지로 코팅 된 플라스틱 잎을 지닌 ‘나무’가 자연 나무보다 100배나 되는 이산화탄소를 제거 할 수있는 방법을 제안했다. 나뭇잎이 가능한 한 많은 이산화탄소를 흡수하면 바이오 연료를 만들기 위해 물에 용해한다.

이 같은 프로세스는 대기에서 지구 온난화의 주요 원인인 CO2를 제거하면 기후 변화를 늦추는 데 도움이 된다.

연구팀은 앞으로 메탄올 생산량을 늘리고 특허받은 공정을 상업화하는 단계를 추가로 진행할 계획이다. 이 프로세스는 차량과 도시의 ‘탄소 농장’외에도 발전소 및 기타 주요 오염원에서 공기에서 CO2를 동시에 제거하는 동시에 바이오 연료를 생산하는 데 사용될 수 있다.

*논문: Facet-dependent active sites of a single Cu2O particle photocatalyst for CO2 reduction to methanol)