금 나노 인공광합성, 이산화탄소 액체연료로 전환

식물 광합성을 모방, 이산화탄소를 액화 가능한 연료로 전환하는 기술이 개발됐다.

미국 일리노이대(University of Illinois, Urbana-Champaign) 연구진들은 인공 광합성을 통해 물, 이산화탄소 및 가시 광선을 사용해 연료를 이산화탄소를 프로판과 같은 보다 복잡한 분자로 전환하는데 성공했다.

녹색 에너지 기술은 이제 태양이 비치지 않거나 에너지 수요가 정점에 달하는 시점에서 이산화탄소(CO2)를 사용, 태양 에너지를 화학 결합 형태로 저장하는 데 한 걸음 더 가까워졌다.

식물은 태양 에너지를 에너지 밀도가 높은 포도당 형태로 생성하고 저장한다. 물과 이산화탄소 사이의 화학 반응(탄소동화작용)에 햇빛이 필요하다. 새로운 연구에서 연구원들은 촉매 역할을 하는 전자가 풍부한 금 나노 입자와 CO2와 물을 연료로 전환시키기 위해 광합성 식물이 사용하는 가시광선 스펙트럼과 동일한 녹색광을 사용하는 인공 공정을 개발했다.

새로운 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 지에 발표되었다.

연구의 공동 저자 프라샨트 자인(Prashant Jain)은 “목표는 많은 양의 CO2와 햇빛과 같은 지속가능한 자원으로부터 복잡한 액화 탄화수소를 생산하는 것”이라며 “액체 연료는 가스보다 운송하기가 쉽고 안전하며 경제성이 뛰어나고 분자로 만들어지기 때문에 더 많은 결합을 포함하고 있어 에너지를 보다 밀집하게 포장한다는 점에서 이상적”이라고 말했다.

자인 연구실의 박사후 연구원이자 이 연구의 제1 저자 유성주(Sungju Yu)는 금속 촉매를 사용해 녹색 빛을 흡수하고 이산화탄소와 물의 화학 반응에 필요한 전자와 양성자를 전달, 자연 광합성에서 엽록소 색소의 역할을 수행했다.

금 나노 입자는 촉매로서 특히 잘 작동하며, 표면이 CO2 분자와 유효하게 상호 작용하고 빛을 흡수하는데 효율적이다. 쉽게 변색 될 수 있는 다른 금속처럼 부서지지 않거나 분해되지 않는다.

탄화수소 연료 결합에 저장된 에너지가 해제되는 몇 가지 방법이 있다. 그러나 기존의 단순 연소 방법은 더 많은 이산화탄소를 생산해 내고 결국 태양 에너지를 수확하고 저장하는 개념에 역효과를 낳는다. 연구팀은 탄화수소를 통해 전류와 전압을 생산하기 위해 연료 전지에 전력을 공급하는 방법을 착안했다

전 세계적으로도 탄화수소 – 전기 전환이 어떻게 효율적으로 수행 될 수 있는지 알아 내려고 노력하고 있다. 이산화탄소의 액체 연료 전환법 개발이 녹색 에너지 기술의 발전에 기여할 가능성은 열려있다.

다만, 연구자들은 인공 광합성 과정이 식물에서와 같이 효율적이지는 않다는 것을 인정했다. 자인은 “우리는 화학 반응의 효율을 높이기 위해 촉매를 조정하는 법을 배워야 한다”며 프로세스를 확장하기 위한 경제적 타당성 입증을 강조했다.