자연 광합성 모방한 인공광합성 반응 원리 규명

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진은 빛을 흡수해 전력을 만들어내는 광전극과 촉매반응을 향상 시켜주는 조촉매를 이용해 빛 에너지를 직접 공급하면 자연 광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있음을 밝혀냈다. 향후 인공광합성 시스템을 디자인할때 중요한 이론적 배경이 될 것으로 전망하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 주오심 박사팀은 인공광합성 기술에서 반도체 전극과 금속복합체를 이용해 빛의 유무에 따라 반응경로가 달진다고 21일 밝혔다.

자연에 존재하는 광합성에서는 광합성 시스템과 효소를 활용해 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 이산화탄소 환원 반응만 일어난다. 이에 반해, 광전극과 조촉매를 사용하는 인공광합성은 이산화탄소 환원 반응 외에도 수소 발생 반응이 함께 일어나기 때문에 일산화탄소 생산 효율을 높이기 어려웠다.

현재 인공광합성은 태양광을 전기에너지로 바꾼 후 이용하는 방법과 빛 에너지를 직접 이용하는 방법이 있다. 하지만 두 방법을 사용했을 때의 차이가 아직 알려지지 않아 인공광합성 기술 설계에 큰 어려움이 있었다.

전기에너지를 이용할 때는 이산화탄소 환원 반응을 위한 높은 에너지가 필요하다. 그 경우 높은 에너지를 가진 전자는 이산화탄소 환원뿐 아니라 수소 발생 반응도 쉽게 일으키게 된다. 그러나 빛 에너지를 공급할 경우, 반도체의 전자는 이산화탄소 환원 반응에만 적합한 수준의 에너지만 갖게 돼 수소 발생 반응은 일어나지 않게 된다.

KIST 연구진은 이러한 사실을 이용해 빛 에너지를 공급하는 조건에서 98% 이상의 전자가 이산화탄소 환원 반응에 참여하게 유도할 수 있었다. 전기에너지만 공급하는 경우에는 전자 중 14%만이 이산화탄소 환원 반응에 사용됐다.

KIST 주오심 박사는 "이번 결과는 앞으로 인공광합성 모방 시스템을 디자인할 때 중요한 이론적 배경이 될 것"이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었다. 이번연구결과는 화학 분야 국제 저널인 '앙게반테 케미' 최신호에 표지논문으로 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자