미국 일리노이 대학 화학자들은 인공 광합성을 통해 물, 이산화탄소, 가시광선을 이용한 연료 생산에 성공했다. 이산화탄소를 프로판처럼 더 복잡한 분자로 전환함으로써, 녹색 에너지 기술은 이제 태양 에너지를 화학 결합의 형태로 저장하기 위해 과잉 이산화탄소를 에너지로 사용하는 것에 한 걸음 더 가까워졌다.

식물은 태양빛을 이용하여 물과 이산화탄소 사이의 화학 반응을 촉진하여 태양 에너지를 에너지 집약 포도당 형태로 만들어 저장한다.

이번에 발표한 연구에서 과학자들은 천연 광합성 동안 식물이 사용하는 가시광선 스펙트럼의 동일한 녹색 부분을 사용하여 이산화탄소와 물을 연료로 변환하는 인공 과정을 개발했다. 이 과정에서 전자가 풍부한 금 나노분자가 촉매 역할을 한다. 이 새로운 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 발표됐다.

“이번 연구의 목표는 과도한 이산화탄소와 햇빛과 같은 지속 가능한 자원으로부터 복잡하고, 액화가능한 탄화수소를 생산하는 것”이라고 이번 연구의 공동저자인 프라산트 자인(Prashant Jain) 교수는 말했다.

이렇게 만든 유체 연료는 가스보다 운반하기가 쉽고, 안전하고, 경제적이기 때문에 이상적이며, 긴 체인의 분자로 만들어졌기 때문에 더 많은 결합을 포함하고 있다. 즉, 에너지를 더 조밀하게 포장한다는 뜻이다.

이 연구의 제1저자인 성주 유(Sungju Yu) 박사는 금속 촉매제를 사용하여 녹색 빛을 흡수하고 이산화탄소와 물 사이의 화학 반응에 필요한 전자와 양성자를 전달함으로써 자연 광합성에 있어 엽록소의 역할을 채운다.

금 나노입자는 표면이 이산화탄소 분자와 우호적으로 상호작용하기 때문에 빛을 흡수하는 데 효율적이며 쉽게 변색될 수 있는 다른 금속처럼 분해되거나 저하되지 않는다고 자인 교수는 말했다.

이산화탄소를 액체 연료로 바꿔주는 이번 연구는 아직은 어느 곳에서도 없는 녹색기술이지만, 그러나 아직은 인공 광합성 과정이 식물에서처럼 효율적이지는 않다는 것을 인정한다.

자인 교수는 "화학반응의 효율성을 높이기 위해 촉매를 조정하는 방법을 배워야 한다"고 말했다. "그후에 공정을 확장하는 방법을 결정하는 고된 작업을 시작해야하고, 이어 기존의 다른 에너지 기술처럼, 경제적 타당성이 있는지 하는 질문들이 해결되어야 한다"고 말했다.

논문제목 Plasmonic photosynthesis of C₁–C₃ hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid. Nature Communications, 2019; 10 (1)

논문주소  DOI: 10.1038/s41467-019-10084-5