녹색식물의 광합성을 그대로 모방하여 태양빛으로 물을 분해해 청정에너지원인 수소를 대량 생산할 수 있는 신개념 광촉매 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
서울대학교 이종협 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 WCU육성사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 나노물질분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS Nano’ 4월호에 게재되었다.
이종협 교수 연구팀은 가시광선에 감응하는 두 광촉매를 한 나노입자에 구현하여 광합성 원리를 적용하면, 가시광선을 통해서도 물에서 수소를 대량 생산할 수 있다는 사실을 규명하였다.
태양빛은 약간의 자외선과 대부분의 가시광선으로 이루어져 있다. 그러나 자외선 빛의 세기가 가시광선보다 훨씬 크기 때문에 지금까지는 주로 자외선을 이용한 연구가 대부분이었다.
태양광 중에서 빛의 에너지가 낮은 가시광선을 이용해 고체물질 기반 생체모방형 인공광합성을 연구하는 것은 에너지 분야뿐만 아니라 식량분야에서도 매우 중요한 과제 중 하나이다.
이 교수팀은 식물의 광합성은 자외선이 아닌 가시광선을 이용한다는 점에 착안하여 에너지 세기가 낮은 가시광선에서 반응이 뛰어난 두 광촉매를 나노크기로 조합하여 인공광합성 나노시스템을 구현하는데 성공하였다. 광촉매란 빛을 쪼이면 자신은 변하지 않고 반응물을 다른 물질로 변화시킬 수 있는 물질을 말한다.
이 교수팀은 우선, 가시광선에서도 전자를 잘 받아들일 수 있는 특성이 뛰어난 탄소도핑(첨가) 이산화티탄이라는 새로운 물질을 나노크기로 합성하는데 성공하였다.
또한 가시광선에서 자유전자를 쉽게 제공하는 특성이 우수한 황화카드뮴(CdS)을 나노크기로 분산시켰다.
이 두 물질 사이에 금 나노입자를 도입하여 전자가 원활히 전달되도록 하였다. 이 모습은 마치 농구공 위에 반쪽자리 삶은 계란을 많이 붙여놓은 듯하다.
연구팀은 이와 같은 형태의 물질을 사용하여 고체기반 생체모방형 인공광합성이 가능한 나노입자를 합성하였다.
특히 연구팀이 합성한 인공광합성 나노입자는 기존의 연구성과에 비해 무려 5배 이상 많은 양의 수소를 생산하는 것으로 확인되었다.
이것은 연구팀의 나노시스템이 가시광선에서 자연계 광합성을 그대로 모방하여 청정에너지인 수소를 효율적.실용적으로 생산할 수 있는 가능성을 보였다는 점에서 매우 중요한 결과이다.
이종협 교수는 “이번 연구는 식물 광합성을 모방한 신개념 광촉매 기술의 개발일 뿐만 아니라, 물에서 수소를 생산하는 신재생 에너지 분야에도 적용되는 의미 있는 성과”라고 정의하고, “향후 식물의 광합성을 고체 상태에서도 완벽하게 모방한 인공광합성 구현을 가능하게 하여 청정 수소에너지 기반 산업에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
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