인공광합성 효율 높여 이산화탄소를 부가가치 높은 물질로 전환

식물은 햇빛과 물, 이산화탄소로 광합성을 해 필요한 영양분을 만들어 낸다. 과학자들은 지구온난화의 주범 중 하나인 이산화탄소를 고부가가치 물질로 전환할 수 있다는 점에서 식물의 광합성을 인공적으로 만들어 내려는 시도들을 하고 있다. 국내 연구진이 햇빛을 직접 이용한 인공광합성 방법이 효율이 더 높다는 사실을 밝혀내 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 연구팀은 반도체 전극과 금속복합체를 이용해 빛의 유무에 따라 인공광합성 반응경로가 달라진다는 점을 규명하고 이산화탄소를 이용해 고부가가치 물질인 일산화탄소를 선택적으로 생산하는데 성공했다고 22일 밝혔다. 이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘안게반테 케미’ 표지논문으로 실렸다.

자연 광합성은 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 환원 반응만 일어나지만 빛을 흡수해 전력을 만들어내고 촉매반응을 촉진시키는 조촉매를 사용하는 인공광합성은 환원반응과 함께 수소 발생 반응이 함께 일어나 일산화탄소 생산효율을 높이기 어려운 것으로 알려져 있다. 또 인공광합성은 태양광을 전기에너지로 바꾼 다음에 수행되는 것과 빛 에너지를 직접 이용하는 방법이 있는데 두 방법 간 차이가 아직 알려지지 않아 인공광합성 기술 설계에 큰 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 광전극과 조촉매를 이용해 빛 에너지를 직접 공급하는 인공 광합성 방식이 자연 광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있다는 사실을 확인했다. 또 전기에너지를 이용한 인공 광합성 방식은 이산화탄소 환원 반응을 일으키기 위해 높은 에너지가 필요하고 그 과정에서 수소 발생 반응이 나타날 수 밖에 없다는 것도 밝혀냈다.

이런 사실을 바탕으로 실험을 한 결과 빛에너지를 이용한 인공광합성을 할 경우 98% 이상 전자가 이산화탄소 환원반응에 참여해 수소 발생반응이 거의 일어나지 않고 전기에너지를 이용해 인공광합성을 할 경우는 14%의 전자만 이산화탄소 환원 반응에 사용되고 대부분 수소 발생반응에 참여하면서 고부가가치 물질 생산 효율이 떨어지는 것을 확인했다.

주오심 KIST 박사는 “이번 연구는 그동안 잘 알려지지 않았던 인공광합성의 빛반응 원리를 밝혀낸 것으로 고효율 인공광합성 시스템을 만들 때 중요한 이론적 기반이 될 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr