탄소 배출 줄여주는 인공 나뭇잎 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (291)

우리나라에서는 미세먼지 탓에 탄소 배출량을 줄이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 환경에 영향을 미치지 않는 에너지원을 개발하는 것인데요. 식물에서 영감을 받은 인공 나뭇잎을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있다는 반가운 소식도 있습니다. 인공 나뭇잎으로 새 에너지를 생산할 수 있다니 정말 놀라운데요.

놀라운 신재생 에너지의 세계, 본격 살펴볼까요?

◆인공 광합성이란?

식물은 물과 햇빛을 에너지원으로 이용해 성장하는데요, 바로 이러한 식물의 광합성 원리를 활용해 에너지를 만들어내는 것이 바로 인공 광합성입니다. 광합성이 식물 잎에서 이뤄진다면, 인공 광합성은 바로 태양전지에서 이뤄집니다. 공기 중 물과 이산화탄소를 분해 합성하는 과정에서 자동차를 달리게 하는 수소 에너지를 만들 수 있는 셈이죠.

한국화학연구원에서는 메탄올과 포름산 등 연료전지 연료를 만드는 데 필요한 화학물질을 만들어내기도 했습니다. 인공 광합성은 태양광을 사용해 다양한 화학물질을 만들어내기 때문에 ‘태양광 화학 공장’이라고 불리기도 합니다.

◆인공 광합성, 실현 가능할까?

인공 광합성은 아직 에너지 효율성이 낮아 아직은 실험 단계인데요, 하지만 탄소 배출 없는 친환경 에너지를 만들어내기 위해 해외뿐만 아니라 국내에서도 활발한 연구가 이뤄지고, 성공사례 발표가 속속 나오고 있습니다.

2017년 4월 말에는 센트럴플로리다대와 플로리다주립대가 참여한 미국 연구진이 인공 광합성 시스템의 핵심인 광촉매 소재를 새롭게 개발했다는 연구결과가 ‘재료 화학 A 저널’(Journal of Materials Chemical A)에 실렸는데요. 광촉매는 빛을 받아 화학반응을 촉진하는 물질로, 인공 광합성 시스템을 개발하는 데 중요한 소재입니다.

새로 개발한 광촉매로 실험하는 모습. 센트럴플로리다대(UCF) 제공

지금까지 인공 광합성 시스템은 주로 자외선을 에너지원으로 썼다면, 새롭게 개발한 시스템은 가시광선의 청색광을 이용하는 방식입니다.

가시광선은 태양빛 에너지의 대부분을 차지하고 있어 자외선 방식보다 더 효율적으로 에너지를 얻을 수 있는데요. 금속 티타늄(Ti)에 특정 유기물을 추가하면 특정 색의 빛만 흡수한다는 점을 발견, 청색광을 흡수할 수 있도록 물질을 설계 합성한 결과입니다.

◆인공 나뭇잎, 누가 처음 생각했을까?

인공 광합성 분야에서 선구자로 불리는 이는 바로 미국 하버드대의 대니얼 노세라 박사입니다. 2008년 햇빛을 받으면 물을 산소와 수수로 분해하는 인공 나뭇잎을 개발했는데요. 이 인공 나뭇잎을 통해 태양빛을 모아 전기 에너지를 만들고, 이를 사용해 물을 전기분해하는 방법으로 수소 원료를 만들어냅니다.

만드는 방법도 간단한데요. 인공 나뭇잎을 물에 적셔서 햇빛이 잘 드는 곳에 두기만 하면 됩니다.

◆국내 기술로 만드는 인공 나뭇잎

인공 나뭇잎 개발에 성공한 이재성 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수팀

우리나라도 인공 나뭇잎을 개발하는데 적극 나서고 있는데요.

앞서 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이재성 교수팀은 독일 헬름홀츠 연구소 반디 크롤 교수팀과 함께 2017년 12월 인공 나뭇잎을 개발한 바 있습니다.

이재성 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수팀이 개발한 인공 나뭇잎 광합성 원리를 설명한 이미지

이 인공 나뭇잎은 해조류의 광합성 원리에서 착안한 것인데요. 바다 깊은 곳까지 도달하는 태양빛의 파장을 선택적으로 활용하는 해조류의 특성을 이용한 것인데요.

햇빛의 모든 파장대를 하나의 광촉매로 흡수할 수 없는 탓에 파장대를 두개로 나누어 각 특성에 맞는 두개의 광촉매를 활용했는데요. 흡수할 수 있는 햇빛의 파장대를 더 넓힌 것이죠. 이로 인해 에너지를 얻는 효율성이 더욱 높아졌습니다.

◆인공 나뭇잎이 만드는 청정에너지 시대

이 인공 나뭇잎으로 만드는 수소 에너지는 물로 만들어지기 때문에 청정 미래에너지로 주목받고 있는데요. 어떤 공해물질을 만들지 않기 때문에 지구 온난화도 해결할 수 있습니다.

인공 나뭇잎으로 에너지를 만들어내는 데는 아직 한계가 있는데요, 현재 5~8%로 알려진 효율성이 앞으로 더 높아진다면 수소 에너지를 좀 더 저렴하게 쓸 수 있어 환경문제는 물론이고 에너지 부족 현상도 앞으로는 걱정하지 않아도 될 것 같습니다.

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