한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 주오심 박사팀은 자연에서 발생하는 광합성을 모사하는 인공광합성 기술에서 반도체 전극과 금속 복합체를 이용해 빛의 유무에 따른 반응의 차이와 그 원리를 밝혀냈습니다. <Angewandte Chemie>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 빛의 유무에 따라서 인공광합성 반응 경로가 달라지는 점을 밝혀내고 이산화탄소로부터 고부가가치 물질인 일산화탄소를 선택적으로 생산했습니다.
인공광합성
대기 중 이산화탄소가 급증하면서 지구온난화와 기후변화로 인해 환경문제가 중요해지고 있습니다. 이에 따라 과학자들은 이산화탄소를 포도당으로 전환하는 광합성의 원리에 착안해 그 과정을 모사하는 인공광합성 기술을 연구 중입니다.
※인공광합성?
자연의 광합성과 비슷한 원리로 이산화탄소와 물, 빛을 이용해 부가가치가 높은 물질을 합성합니다. 이러한 시스템을 위해서는 빛을 흡수하는 광전극과 반응을 촉진시키는 촉매가 필요합니다.
이산화탄소 환원 반응에는 전자와 수소이온이 필요한데요. 수소이온은 이산화탄소 환원 반응뿐만 아니라 수소 분자로 전환되는 부반응 또한 일으킵니다. 인공광합성 촉매기술의 핵심은 원치 않는 수소생성 반응은 줄이고 원하는 이산화탄소 환원 반응만 선택적으로 일으키는 데에 있습니다.
자연에 존재하는 광합성에서는 광합성 시스템과 효소를 활용해서 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 이산화탄소 환원 반응만 일어납니다. 반면 광전극과 조촉매를 사용하는 인공광합성은 이산화탄소 환원 반응 외에도 수소 발생 반응이 함께 일어나기 때문에 일산화탄소 생산 효율을 높이기 어려웠습니다.
자연광합성, 빛으로 모방
현재 인공광합성은 태양광을 전기에너지로 바꾼 후 이용하는 방법과 빛에너지를 직접 이용하는 방법이 있습니다. 하지만 두 방법을 사용했을 때의 차이가 아직 알려지지 않아 인공광합성 기술 설계에 큰 어려움이 있었는데요. 연구팀은 광전극과 조촉매를 이용해 빛에너지를 직접 공급하면 자연 광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있음을 밝혀냈습니다.
전기에너지를 이용할 때는 이산화탄소 환원 반응을 위한 높은 에너지가 필요합니다. 그 경우 높은 에너지를 가진 전자는 이산화탄소 환원뿐 아니라 수소 발생 반응도 쉽게 일으키게 되죠. 그러나 빛 에너지를 공급할 경우 반도체의 전자는 이산화탄소 환원 반응에만 적합한 수준의 에너지만 가져 수소 발생 반응이 일어나지 않게 됩니다.
이러한 사실을 이용해 연구팀은 빛 에너지를 공급하는 조건에서 98% 이상의 전자가 이산화탄소 환원 반응에 참여하게 유도할 수 있었습니다. 반면 전기에너지만 공급하는 경우에는 전자 중 14%만이 이산화탄소 환원 반응에 사용됐다고 합니다.
KIST 주오심 박사는 "본 연구는 그동안 잘 알려지지 않았던 인공광합성의 광반응 원리에 대해 밝혀낸 결과로 앞으로 고효율 인공광합성 시스템을 구현할 때 중요한 이론적 기반이 될 것"이라고 밝혔습니다.
##참고자료##
- Chae, Sang Youn, et al. "Photoelectrochemical CO2 reduction with a rhenium organometallic redox mediator at semiconductor/aqueous liquid junction interfaces." Angewandte Chemie (2019).
