전복껍데기 모방해 인공광합성 효율↑
전복껍데기 모방해 인공광합성 효율↑
  • 함예솔
  • 승인 2019.01.30 06:45
  • 조회수 553
  • 댓글 0
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인공광합성이란?

 

인공광합성 장치의 개념도. 출처: KIST
인공광합성 장치의 개념도. 출처: KIST
  • 인공광합성은 식물이나 조류의 광합성처럼, 태양에너지를 이용해 물과 이산화탄소로부터 수소 및 다양한 화학물질을 생산할 수 있는 친환경 기술입니다. 
  • 인공광합성은 자연친화적이고 탄소중립적인 특성으로 인해, 미래 에너지 기술로 주목받고 있습니다. 
  • 효율적인 인공광합성을 위해서는 화학반응의 선택성과 속도를 향상시킬 수 있는 백금ㆍ이리듐 등의 희귀금속 또는 전이금속 촉매가 필수적입니다.
  • 기존에 연구된 촉매는 제조비용과 효율성에 제약이 있어 실용화가 어려웠습니다.


뭘 발견했나

 

전복껍데기의 진주층(nacre). 출처: Wikimedia Commons
전복껍데기의 진주층(nacre) 출처: Wikimedia Commons
  • 전복껍데기의 진주층(nacre)을 모방해 인공광합성 소자를 제조하는 기술이 개발됐습니다. 
  • UNIST 류정기 교수와 연세대학교 김병수 교수 공동연구팀이 산화그래핀과 분자촉매를 정교하게 조립해 인공 진주층을 만들고, 이를 통해 인공광합성의 효율을 대폭 향상시켰다고 합니다.
  • 이 연구는 <ACS 나노(ACS Nano)>에 표지 논문으로 게재됐습니다.
국제학술지 ACS Nano 표지논문(front cover)으로 선정. 출처: 한국연구재단
국제학술지 ACS Nano 표지논문(front cover)으로 선정. 출처: 한국연구재단

어떻게 조사했나

  • 연구팀은 금속을 극소량만 사용하면서도 촉매 활성이 높은 분자형태의 촉매에 주목했습니다. 
  • 분자형태 촉매는 분자 내에 포함된 대부분의 금속원자가 촉매활성을 띱니다. 따라서 분자형태의 촉매는 반응효율 및 경제성 측면에서 매우 우수합니다.
  • 특히 분자촉매를 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 고정하기 위해 전복껍데기 진주층 구조를 모사했고, 전극의 효율도 2.5배 가량 크게 증대시켰습니다.

 

전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. 출처: 한국연구재단
전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. 출처: 한국연구재단
전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. 출처: 한국연구재단
전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. 출처: 한국연구재단

특이한 점은?

  • 무지개색을 띠는 전복껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조입니다. 이때 키틴과 같은 유기물이 접착제 역할을 해 판상의 탄산칼슘을 고정시키고, 전복껍데기의 강도를 향상시킵니다. 
  • 이러한 구조에 착안해, 연구팀은 분자촉매와 유기물을 전극 표면에 층상으로 쌓았습니다.
  • 이때 활용된 유기물은 산화그래핀으로써, 분자촉매와의 정전기적 인력을 통해 전극 표면에 순차적으로 쌓일 수 있습니다. 
  • 특히, 산화그래핀은 접착제로서의 역할 뿐만 아니라, 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달해준다는 것도 밝혀졌습니다.

 

이 연구가 왜 중요한가

  • 이 연구는 높은 효율의 인공광합성 광합성소자를 쉽고 간편하게 설계하고 제조할 수 있는 연구로서, 고부가가치의 에너지자원을 선택적으로 생성해 저탄소 녹색 성장에 이바지할 수 있을것으로 기대됩니다.
  • 현재 개발된 전극 외에도 크기와 무관하게 다양한 기관에 적용이 가능하며, 유연한 소재에 적용이 가능해 다양한 에너지 소재ㆍ소자 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

 

류정기 교수. 출처: 한국연구재단
류정기 교수. 출처: 한국연구재단

 

 

 

"이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해 쉽고, 간편하게 설계ㆍ개발한 것입니다. 향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다"

-류정기 UNIST 교수-


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