햇빛으로 CO2를 연료로 바꾸는 '인공 잎'
햇빛으로 CO2를 연료로 바꾸는 '인공 잎'
  • 함예솔
  • 승인 2019.11.16 09:05
  • 조회수 2182
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

대기 중 이산화탄소가 급증하며 기후 변화가 초래되고 있습니다. 더 이상 이산화탄소 배출만을 막는 건 능사가 아닌 것 같습니다. 이제 대기 중 이산화탄소를 제거하기 위한 노력도 함께할 때 인 것 같습니다.

 

이를 위해 과학자들은 '인공 잎'을 만들었습니다. 이산화탄소를 포집하고 이를 연료로 바꾸려는 시도인데요. 이산화탄소도 잡고 화석연료도 대체할 수 있는 기술이라고 합니다.

인공 잎으로 이산화탄소 줄인다? 출처: AdobeStock
인공 잎으로 이산화탄소 줄인다? 출처: AdobeStock

광합성의 핵심 엽록소

 

식물은 엽록체를 통해 포도당을 만들어 에너지로 사용합니다. 엽록체는 포도당을 만들기 위해 빛에너지를 이용하는데요. 태양광을 이용합니다. 이렇게 식물이 엽록체를 활용해 태양에너지인 빛에너지를 포도당 등으로 바꾸는 과정을 광합성이라고 합니다. 이때 빛에너지를 포도당으로 바꾸는 게 바로 엽록소인데요. 엽록소는 엽록체 안에 들어있는 색소입니다.

 

참고로 엽록소는 엽록소a, 엽록소b, 엽록소c, 박테리오클로로필a 등 유사한 화학 구조로 이루어진 여러 가지 색소들이 존재하는데요. 이들 가운데 엽록소a는 광합성을 하는 모든 식물이 가지고 있습니다. 

광합성과 호흡은 에너지 생산에 매우 중요합니다. 출처: Fotolia
광합성과 호흡은 에너지 생산에 매우 중요합니다. 출처: Fotolia

엽록소는 햇빛의 파장대에서도 650nm와 450nm에 해당하는 파장을 가장 많이 흡수한다고 하는데요. 이 가운데 녹색 파장(520~570mm)에 해당하는 구간의 빛은 거의 흡수하지 않는다고 합니다. 즉, 식물의 엽록소가 녹색 파장을 반사하기 때문에 식물이 녹색으로 보이는거죠. 

 

'인공 잎'으로 이산화탄소를 메탄올로 

 

<Nature Energy>에 게재된 연구에 따르면 햇빛을 이용해 이산화탄소를 양분으로 바꾸는 식물들의 방식에서 착안했다고 하는데요. 이번 연구를 주도한 워털루대학교(University of Waterloo)의 Yimin Wu교수는 "실제 잎에서 일어나는 광합성 과정을 모방했기 때문에 '인공 잎'이라고 부른다고 밝혔습니다. 잎은 포도당과 산소를 만들어 내고 연구진은 이를 이용해 메탄올과 산소를 만들었다고 합니다.

 

인공 잎은 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 이용해 메탄올을 만들어 온실 가스 배출량을 줄이고 화석연료의 대체물까지 만들어내는 셈입니다. 이 공정의 핵심은 '산화제1구리(cuprous oxide)'인데요. 가능한 한 많은 8면체의 입자를 갖도록 설계된 이 분말은 특정 온도로 가열된 물에 포도당과 아세트산구리(copper acetate), 수산화나트륨(sodium hydroxide), 황산 도데실 나트륨(sodium dodecyl sulfate)을 첨가하면 발생하는 화학 반응으로 생성됩니다.

출처: University of Waterloo
화학 반응이 일어났습니다. 출처: University of Waterloo

이 후 이 분말은 촉매 역할을 하게 됩니다. 즉, 이산화탄소가 발생하는 물에 이 분말을 섞고 인공 태양으로 백색광을 비춰줍니다. 2015년부터 이 프로젝트를 진행해온 Yimin Wu교수는 "이것이 우리가 발견한 화학 반응"이라고 발했는데요. 이 반응은 광합성과 마찬가지로 산소를 생성합니다. 그리고 동시에 분말이 들어있는 용액에서는 이산화탄소를 메탄올로 변환시킵니다. 이후 용액을 가열하고 물을 증발시켜 메탄올을 수집합니다. 

 

앞으로 연구진은 메탄올 생산을 증가시키기 위해 발전소나 운송 수단, 석유 채굴 등의 주요 온실가스 배출원으로부터 이산화탄소를 포집해 메탄올로 변환시키는 공정을 상용화시키려고 노력 중이라고 하는데요.  Yimin Wu교수는 "기후변화는 시급한 문제이고 우리는 이산화탄소 배출을 줄이면서 대체연료를 만드는걸 도울 수 있다"고 전했습니다. 또한 Yimin Wu교수는 캘리포니아주립대(California State University)와 홍콩시티대학교(City University of Hong Kong) 연구진과 아리곤국립연구소(Argonne National Laboratory) 연구진과 협력해 공동으로 연구했다고 합니다. 


'인공 잎'으로 이산화탄소 배출 없이 합성가스(syngas)만든다 

출처: University of Cambridge
효과 있나봐~ 출처: University of Cambridge

이 연구는 케임브리지대학교( University of Cambridge)에서 진행중인 연구와 비슷한데요. <Nature Materials>에 게재된 연구에 따르면 이 인공 잎은 햇빛에 의해 동력을 공급받는데도, 흐린 날 효율적으로 작동한다고 합니다. 케임브리지대학교 연구진이 개발한 인공 잎은 지속가능하고 간단한 방법으로 합성가스(syngas)를 생산할 수 있다고 하는데요. 참고로 지금까지 개발된 인공 잎 장치들은 대부분 수소만 생산가능 했습니다. 

 

합성가스(syngas)는 일산화탄소와 수소가 섞여 있는 혼합 가스입니다. 연료, 제약, 플라스틱, 비료와 같은 다양한 상품들을 생산하는데 사용된다고 하는데요. 인공 잎을 이용하면 산업 과정에서 생산되는 합성가스(syngas)와 달리 추가적인 이산화탄소가 방출되지 않는다고 합니다. 합성가스(syngas)을 처음 들어보는 이웃님들도 계시겠지만 합성가스(syngas)는 우리가 매일 소비하는 제품들 중엔 합성가스(syngas)를 이용해 만들어지는 경우가 많다고 합니다. 이 연구의 책임저자이자 케임브리지대학교 화학과 소속의 Erwin Reisner교수는 7년간 합성가스를 지속가능한 방법으로 생산할 수 있도록 하기 위해 연구해왔다고 하는데요.

 

워터루대학교 연구진들과 마찬가지로 Erwin Reisner교수와 연구진은 광합성에 영감을 받아 이 장치를 고안해냈습니다. 연구진이 개발한 인공 잎에는 햇빛을 흡수하는 분자와 비슷한 두 개의 광흡수재(light absorber)가 있습니다. 이는 자연적으로 풍부한 코발트 원소로 만들어진 촉매와 결합해 있는데요. 연구진들이 사용한 코발트는 백금이나 은 보다 저렴할 뿐만 아니라 다른 촉매제보다 일산화탄소의 배출에 용이하다고 합니다. 

 

이 장치가 물에 잠길 때 한 개의 광흡수재(light absorber)를 촉매로 사용해 산소를 발생시킵니다. 그리고 다른 하나는 이산화탄소와 물을 일산화탄소와 수소로 환원시켜 합성가스(syngas)를 만드는 화학반응을 하게 된다고 합니다. 연구진은 현재 더 나아가 가솔린 대신 지속가능한 액체 연료를 생산하기 위한 방법을 찾고 있다고 합니다. 합성가스(syngas)는 이미 액체 연료를 만들 때 빌딩블록으로 사용되고 있다고 합니다.

친환경. 출처: pixabay
친환경. 출처: pixabay

케임브리지대학교 연구진이 개발한 장치는 몇 년 전 컬럼비아대학교 지속가능에너지 센터의 Klaus Lackner가 개발한 '인공 나무'와도 비슷한 개념이라고 하는데요. Klaus Lackner는 수지(resin)로 코팅된 플라스틱 잎을 가진 '나무'가 자연에 있는 나무보다 공기 중에 있는 이산화탄소를 100배까지 더 많이 제거했다고 하는데요. 잎이 이산화탄소를 최대한 흡수하면 이를 물 속에 넣어 바이오 연료로 만들었다고 합니다.  

 

광합성을 모방한 다양한 장치로 이산화탄소를 제거하고 연료까지 만든다니 정말 놀랍습니다. 

 


##참고자료##

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트