대체 에너지가 주목받는 시대, 인공광합성으로 한 발 앞서가다
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대체 에너지가 주목받는 시대, 인공광합성으로 한 발 앞서가다
  • 이경은 기자
  • 승인 2014.02.26 22:50
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 화석연료의 고갈에 따라 태양에너지가 주목받고 있다. 태양으로부터 지구에 도달하는 에너지 총량은 약 12만 테라와트에 해당한다. 하지만 그중 실제로 사용되는 양은 0.1%도 되지 않는다. 지구의 생명을 지탱하는 이 0.1%의 대부분은 광합성에 쓰인다. 광합성은 지구온난화의 주범으로 지목받고 있는 이산화탄소를 제거하고, 이를 통해 산소와 유기물을 만들 수 있다. 이 때문에 학계에서는 광합성을 모방한 인공광합성 시스템으로 태양에너지를 사용하려는 시도가 한창이다.

 

물 분해를 통해 에너지와 NADPH 만드는 명반응

광합성은 명반응과 암반응으로 이루어져 있다. 명반응은 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어난다. 틸라코이드 막에서 빛을 받은 물이 산소와 수소이온으로 분해되면서 전자를 방출한다. 이 전자는 염료로 이루어진 광계로 들어가 여러 전자 수용체들을 거친다. 먼저 광계 2에서 빛을 받아 에너지가 높아진 전자는 세포막의 수용체들을 따라 전달되면서 다시 에너지가 낮아진다. 이 과정에서 ADP가 ATP로 바뀌는 인산화 반응이 일어나며 전자가 가진 에너지가 ATP에 저장된다. 에너지가 낮아진 전자는 광계 1로 들어가 같은 과정을 반복하고 최종적으로 NADP에 도달해 수소이온과 함께 NADPH를 형성한다. 이 NADPH는 이후 진행되는 암반응의 핵심이 되는 물질이다. 전자가 두 개의 광계를 통해 한쪽에서는 물을 분해하고 다른 쪽에서는 NADP를 환원하는 이 과정을 Z-스킴(Z-scheme)이라고 부른다.

 

암반응에서 환원제로 작용하는 NADPH

암반응에서는 칼빈 회로가 진행되면서 이산화탄소가 유기물로 환원된다. 명반응에서 ATP에 저장된 에너지로 유기물을 만드는 것이다. 환원 반응이 일어나려면 반드시 산화 반응이 함께 일어나야 하는데, 이때 자신이 산화되면서 상대 물질을 환원시키는 물질을 환원제라고 한다. 암반응에서 이산화탄소가 유기물로 환원될 때에는 명반응의 산물인 NADPH가 환원제 역할을 한다.

 

▲ 인공 염료를 이용한 염료 감응 태양전지의 원리/ 곽해찬 기자

 

인공 염료로 명반응의 광계 대체해

인공광합성은 자연계의 광합성 메커니즘을 모방한 시스템이다. 따라서 인공광합성에도 인공명반응과 인공암반응이 존재하는데, 현재 대부분의 연구는 광합성의 명반응을 모방하는 것에 집중되어있다. 대표적인 인공명반응 기술 중 하나인 염료 감응 태양전지는 명반응의 광계를 모방해 빛으로 전기를 생산한다. 먼저 양자점이나 Cds 나노입자 등 광계와 유사한 역할을 하는 인공 염료로 가시광선 영역의 빛을 흡수해 전자의 에너지를 높인다. 고에너지 상태가 된 전자는 주변에 약간 낮은 에너지 준위를 가진 물질이 있으면 쉽게 그 물질의 에너지 준위를 타고 이동할 수 있다. 염료 감응 태양전지에서는 염료와 산화물 반도체인 TiO2전극의 에너지 준위가 비슷해 전자가 염료에서 TiO2 전극으로 이동해 전선을 따라 이동하는 것이다. 이렇게 전선을 타고 흘러간 고에너지 전자는 에너지를 소진하면 다시 염료에서 빛을 받으므로 이 전지는 순환 시스템을 가진다.

 

Z-스킴을 모방한 광전기 화학 전지

광전기 화학 전지는 빛을 이용해 수소 등 다양한 화합물을 만드는 전지다. 광전기 화학 전지 역시 광합성의 명반응과 그 메커니즘이 유사하다. 명반응의 Z-스킴을 모방해 자연 명반응과 유사하게 물 분해 반응과 환원 반응이 동시에 일어나는 시스템을 만든 것이다. 그런데 명반응의 Z-스킴은 광계 1과 광계 2에서 전자가 각각 빛에너지를 받았다면, 광전기 화학 전지에서는 전자가 빛에너지를 한 번만 받는다. 광전기 화학 전지에서는 양극과 음극이 모두 수용액에 담가져 있는데 양극은 물 분해 반응이 일어나는 물질로, 음극은 환원 반응이 일어나는 물질로 이루어져 있다. 양극에서는 빛을 받은 물 분자가 분해되어 전자와 수소 이온이 생성된다. 양극에서 생성된 전자는 회로를 돌고 음극으로 돌아와 수용액 속의 수소 이온과 환원 반응 해 수소를 생산한다. 물 분자가 분해되는 양극에서는 광계 2와 같은 반응이 일어나고, 환원 반응이 일어나는 음극에서는 광계 1과 같은 반응이 일어나는 것이다.

한편, 양극과 음극 대신 콜로이드와 촉매를 사용해 광전기 화학 전지를 만드는 방법도 있다. 이 경우에는 태양광을 잘 흡수하는 GaN:ZnO를 콜로이드로 사용한다. 콜로이드 표면에는 두 종류의 무기 촉매가 붙어있는데, 물을 분해하는 Rh/Cr2O3와 전자를 받아 수소 이온을 수소로 만드는 Mn3O4이다. Rh/Cr2O3에서 물이 분해되면서 생성된 전자가 콜로이드에서 빛에너지를 받아 고에너지 상태가 되고, Mn3O4에서 수소이온과 반응해 수소 기체를 생성한다. 수용액을 사용한 전지와 마찬가지로 Rh/Cr2O3가 광계 2 역할을 하고 Mn3O4가 광계 1 역할을 한다.

 

산화 환원 반응 이용하면 인공암반응 시스템 만들 수 있어

인공암반응은 주로 산화 환원 반응을 이용해 유기물을 합성하는 시스템이다. 예를 들어, 광전기 화학 전지에서 수용액에 물뿐 아니라 이산화탄소도 함께 녹인다. 그리고 환원 반응이 일어나는 전극표면에 이산화탄소 촉매를 바르면 이산화탄소가 전극 표면에서 유기물로 환원된다. 칼빈 회로의 효소를 이용해 유기물을 만드는 방법도 있다. 암반응의 칼빈 회로에서는 여러 종류의 효소가 연쇄적으로 작용해 이산화탄소를 포도당과 같은 유기물로 만든다. 그중에는 NADP H를 산화시키면서 활성화되어 유기물을 합성하는 효소도 존재한다. 따라서 효소에 기질과 NADPH를 공급하면 NADPH가 산화되면서 동시에 유기물이 만들어지는 과정이 활성화된다. 이렇게 만들어진 유기물들은 의약품 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

 

인공명반응과 인공암반응이 함께 작용할 때 인공광합성 시스템이 완성된다. 그런데 각 분야는 굉장히 광범위하며 다양한 학문이 융합되어있기 때문에 사실상 인공광합성 시스템 전체를 연구하기는 쉽지 않다. 게다가 물 분해, 광 촉매 등의 분야는 오래전부터 연구되고 있었으나 최근 인공광합성이 주목받으면서 인공광합성의 일부로 포함된 분야들이다. 따라서 인공광합성은 그 전체 시스템이 연구되기보다는 각각의 다양한 요소 기술들이 연구되고 있는 거대한 학문에 가깝다. 인공광합성을 거대한 코끼리로 비유하면, 일부에서는 코끼리의 코를, 또 다른 쪽에서는 코끼리의 다리를 연구하고 있다고 볼 수 있다. 이렇게 다양한 기술이 융합된 인공광합성은 아직 기초 단계지만, 미래에 태양에너지를 사용할 수 있는 효율적인 시스템으로 주목받고 있다. 관련 연구를 하는 우리 학교 신소재공학과 박찬범 교수는 인공광합성에 대해 “태양 빛을 에너지원으로 사용할 수 있고, 이산화탄소를 감축할 수 있는 등 여러 가지 이점을 가지고 있기 때문에 앞으로도 (학계에서) 연구가 계속될 것이다”라고 전망했다.


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