로렌스 버클리 국립연구소의 연구진은 몇몇 학술 파트너와 협력하여 인공 광합성 분야에서 상당한 진전을 이루었으며, CO₂를 에탄과 에틸렌과 같은 귀중한 탄화수소로 전환할 수 있는 능력을 보여주었습니다.
최근 네이처 촉매학(Nature Catalysis) 에 발표된 이 연구는 나노구조 구리와 페로브스카이트 소재를 활용하여 식물의 광합성을 담당하는 녹색 색소인 엽록소의 광 포착 능력을 모방하는 새로운 시스템을 소개합니다. 이 혁신적인 접근 방식은 에너지 연구에 있어 상당한 진전을 의미할 뿐만 아니라, 햇빛, 이산화탄소, 물만을 이용함으로써 더 폭넓은 지속가능성 목표에도 부합합니다.
이 새로운 시스템은 태양광 분야에서 뛰어난 효능을 인정받는 페로브스카이트 소재와 독특한 "나노플라워" 구리 전기 촉매를 통합했습니다. 이 설계는 광합성을 촉진하는 천연 효소에서 영감을 받아 장치의 기능을 향상시킵니다. 기존의 금속 촉매와 달리, 구리는 다양한 연료와 화학물질 생산에 필수적인 두 개의 탄소 원자를 가진 더욱 복잡한 탄화수소의 합성을 가능하게 합니다. 이 획기적인 기술은 청정 에너지 생산의 영역을 확장하여 추가적인 탄소 배출 없이 친환경 소재를 개발할 수 있는 길을 열어줍니다.
본 연구는 미국 에너지부가 설립한 협력 사업인 액체 태양열 연합(LiSA) 의 핵심 구성 요소입니다 . LiSA는 학제 간 연구를 통해 태양 연료 분야의 발전을 도모하며, 캘리포니아 공과대학과 국립 재생에너지 연구소를 비롯한 여러 기관의 100명이 넘는 과학자들이 참여하고 있습니다. 이론 모델과 실시간 실험 데이터를 통합하는 데 중점을 둔 LiSA는 태양 연료 기술의 발전을 가속화하는 것을 목표로 합니다. 2020년 출범 이후 LiSA는 장치 성능 향상과 재료 내구성 개선을 가능하게 했으며, 이는 이러한 혁신적인 시스템의 확장성에 매우 중요합니다.
페이동 양(오른쪽)과 대학원 연구원인 지아안 린은 나뭇잎의 빛 흡수 물질인 엽록소를 모방한 할로겐화납 페로브스카이트 광흡수체와 작은 꽃 모양을 닮은 구리 전기촉매를 사용했습니다. (사진 제공: 마릴린 사전트/버클리 연구소)
버클리 랩의 선임 과학자이자 이 연구의 공동 저자인 페이동 양(Peidong Yang)은 기존의 인공 광합성 연구가 생물학적 소재에 의존해 왔지만, 구리를 첨가함으로써 시스템의 내구성과 안정성이 향상되었다고 강조했습니다. 양 교수 연구팀은 현재 이 인공 잎 기술의 효율을 높이고 크기를 확장하는 데 집중하고 있으며, 이는 시스템을 실제 응용 분야로 확장하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.
이 연구는 과학자들이 잎의 자연적 생산성을 재현하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있도록 도울 뿐만 아니라, 지속 가능한 화학 생산 방식 개발을 위한 새로운 길을 열어줍니다. 이 연구 결과는 효율적인 탄소 활용을 향한 한 걸음을 내딛는 것을 의미할 뿐만 아니라, 에너지 생산과 환경적 책임이 함께 어우러져 전 세계 에너지 수요를 충족하는 동시에 기후 변화의 영향을 완화하는 잠재적 미래를 제시합니다.
