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전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교
[산업일보]
인공광합성은 식물이나 조류의 광합성처럼, 태양에너지를 이용해 유용한 화학물질을 생산하는 친환경 기술이다. 그러나 효율적 인공광합성을 위해서는 백금‧이리듐 등 희귀금속 또는 전이금속 촉매가 필수적인데, 기존에 연구된 촉매는 제조비용 및 효율성에 제약이 있어 실용화가 어려웠다.
이에, 전복껍데기의 진주층(nacre)을 모방해 인공광합성 소자를 제조하는 기술이 개발됐다. 류정기 교수(UNIST)와 김병수 교수(연세대) 공동연구팀이 산화그래핀과 분자촉매를 정교하게 조립해 인공 진주층을 만들고, 이를 통해 인공광합성의 효율을 대폭 향상시켰다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
연구팀은 금속을 극소량만 사용하면서도 촉매 활성이 높은 분자 형태의 촉매에 주목했다. 특히 분자촉매를 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 고정하기 위해 전복껍데기 진주층 구조를 모사했고, 전극의 효율도 2.5배 가량 크게 증대시켰다.
전복껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조이다. 이때 키틴과 같은 유기물이 접착제 역할을 해, 판상의 탄산칼슘을 고정시키고 전복껍데기의 강도를 향상시킨다.
이러한 구조에 착안해, 연구팀은 분자촉매와 유기물을 전극 표면에 층상으로 쌓았다. 이때 활용된 유기물은 산화그래핀으로써, 분자촉매와의 정전기적 인력을 통해 전극표면에 순차적으로 쌓일 수 있다. 특히 산화그래핀은 접착제로서의 역할뿐만 아니라, 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달해준다는 것도 밝혀졌다.
류정기 교수는 “이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해, 쉽고 간편하게 설계‧개발한 것이다”라며, “향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다“라고 덧붙였다.
류 교수의 설명에 따르면, 인공광합성은 무한한 태양광 에너지를 활용해, 다양하고 유용한 화학물질을 친환경적 / 탄소중립적으로 생산할 수 있기 때문에, 화석연료의 고갈 대비 및 인류의 지속적인 성장을 위해 매우 중요한 기술이다.
이번 연구성과는 기존연구에서 간과됐던 부분, 즉 우수한 성능의 분자촉매를 인공광합성 시스템에 활용하는 방안을 제시하고, 실제 인공광합성 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 밝힘으로써 향후 다양한 형태의 인공광합성 소자를 설계/개발하는데 기여할 수 있을 것으로 보이며, 이를 통해 인공광합성의 실용화에 한발짝 더 다가갈 수 있을 것으로 보인다.
