하이드로젤은 태양광을 활용합니다: 인공 광합성에 한 걸음 더 다가갑니다.

식물이 햇빛을 에너지로 변환하는 방식을 모방하는 것은 재생 에너지 솔루션을 만들고자 하는 과학자들의 오랜 꿈이었습니다. 인공 광합성은 햇빛을 사용하여 깨끗한 에너지를 생성하는 화학 반응을 유도하는 자연의 방법을 복제하려는 프로세스입니다. 그러나 자연 광합성만큼 유기적으로 작동하는 합성 시스템을 만드는 것은 지금까지 상당한 과제였습니다.

이제 일본 첨단 과학 기술 연구소(JAIST)와 도쿄 대학의 연구원들이 햇빛을 사용하여 물 분자를 분해하여 수소와 산소를 생성할 수 있는 새로운 유형의 생물에서 영감을 받은 하이드로젤을 설계했습니다. 이 설계는 수소가 미래의 유망한 연료로 여겨지기 때문에 깨끗한 에너지에 대한 탐구에서 잠재적인 게임 체인저가 될 수 있습니다. 게다가 수소 생산의 이러한 발전은 태양광 발전 및 전기 분해 기반 수소 생산과 같은 다른 깨끗한 에너지 기술과 비교될 수 ​​있습니다. 이러한 방법은 외부 에너지원에 의존하는 반면, 하이드로젤 시스템은 햇빛을 직접 사용하여 물을 분해하여 효율성을 개선하고 비용을 절감하는 자연을 모방합니다. 그들의 연구는 Chemical Communications에 온라인으로 게재되었습니다.

JAIST의 박사과정 학생 레이나 하기와라, 도쿄 대학의 료 요시다 교수와 함께 부교수 고스케 오케요시가 이끄는 연구팀은 신중하게 구조화된 폴리머 네트워크로 이러한 하이드로젤을 설계했습니다. 이러한 네트워크는 물을 수소와 산소로 분리하는 데 중요한 전자 전달을 제어하는 ​​데 도움이 됩니다. 하이드로젤은 루테늄 복합체와 백금 나노입자와 같은 기능성 분자로 가득 차 있으며, 이는 함께 작동하여 광합성의 자연적 과정을 시뮬레이션합니다.

"가장 큰 과제는 이 분자들이 전자를 원활하게 전달할 수 있도록 배열하는 방법을 알아내는 것이었습니다." 오케요시 교수가 말했습니다. "폴리머 네트워크를 사용함으로써 합성 광합성 시스템에서 흔히 발생하는 문제인 뭉침을 방지할 수 있었습니다."

더 나아가, JAIST의 박사과정 학생이자 제1저자인 레이나 하기와라는 "여기서 독특한 점은 분자가 하이드로젤 내에서 어떻게 조직되는지입니다. 구조화된 환경을 만들어서 에너지 변환 과정을 훨씬 더 효율적으로 만들었습니다."라고 말합니다.

이 연구의 주요 돌파구 중 하나는 하이드로젤이 기능성 분자가 응집되는 것을 방지하는 능력인데, 이는 이전 인공 광합성 시스템의 주요 문제였습니다. 그 결과, 팀은 물 분해 과정의 활동을 상당히 높이고 이전 기술에 비해 더 많은 수소를 생산할 수 있었습니다.

이 설계는 청정 에너지에 큰 영향을 미칩니다. 수소는 물과 햇빛만으로 생산될 경우 미래 ​​에너지 시스템에서 핵심적인 역할을 할 수 있으며 화석 연료에 대한 재생 가능한 대안을 제공할 수 있습니다. Okeyoshi 교수가 설명했듯이, "수소는 깨끗하고 재생 가능하기 때문에 환상적인 에너지원입니다. 저희 하이드로젤은 햇빛을 사용하여 수소를 생산하는 방법을 제공하며, 이는 에너지 기술을 지속 가능하게 재편하는 데 도움이 될 수 있습니다."

이 연구는 인공 광합성을 더욱 활성화함으로써 재생 가능한 수소를 산업, 운송 및 에너지 저장 시스템에 전력을 공급하는 미래에 한 걸음 더 다가가게 합니다.

이러한 유망한 결과에도 불구하고 연구자들은 아직 해야 할 일이 있다고 지적합니다. 이러한 하이드로젤의 생산을 확대하고 장기적 안정성을 보장하는 것이 중요한 다음 단계가 될 것입니다. "우리는 잠재력을 보여주었지만 이제 산업용으로 기술을 개선해야 합니다." Okeyoshi 교수가 말했습니다. "가능성은 흥미진진하며, 우리는 계속해서 전진하고 싶습니다."

연구팀은 또한 하이드로젤에 정밀한 통합을 시도해 에너지 전환 효율을 더욱 높일 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241106132651.htm