자연에서 배운 인공 광합성: 태양광 수소 생산 신기술 개발 성공

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우) 에너지공학전공 박치영 교수는 나노소재를 활용해 초분자형광체 나노복합체 제조 기술을 개발하고, 지속 가능한 태양광 유기생물수소 생산 시스템을 구축했습니다.

박 교수는 경북대학교 수소 및 재생에너지학과 차효정 교수와의 공동연구를 통해 탄닌산 [1] 기반 금속-폴리페놀 고분자의 우수한 나노표면 흡착 특성을 활용해 형광염료의 자가조립 및 광학적 특성을 제어하고 광여기 [2] 및 전자전달 메커니즘을 규명했습니다. 이를 바탕으로 수소화효소를 이용한 박테리아를 이용한 태양기반 바이오수소 생산 시스템을 구현했습니다.

자연 광합성 동안 엽록소는 빛 에너지를 흡수하고 전자를 전달하여 화학 에너지로 변환합니다. 이러한 자연적 광합성 과정을 모방한 인공 광합성은 햇빛을 사용하여 수소와 같은 귀중한 자원을 생산하며 지속 가능한 에너지 솔루션으로 주목을 받고 있습니다.

박 교수팀은 기존 형광염료인 로다민을 양친매성 구조로 변형해 자연 속 클로로필과 유사한 전자 전달이 가능한 초분자 광촉매를 개발했습니다. 연구팀은 탄닌산을 기반으로 한 금속-폴리페놀 나노코팅 기술을 적용해 성능과 내구성을 개선했습니다. 그 결과 가시광선 영역에서 촉매 1g당 시간당 약 18.4mmol의 수소를 생산하는 성능을 보였습니다. 이 성능은 같은 형광체를 사용한 기존 연구에서 관찰된 성능보다 5.6배 높은 것입니다.

연구팀은 새롭게 개발한 초분자 염료를 전자 전달이 가능한 박테리아인 Shewanella oneidensis MR-1 [3] 과 결합하여 태양광을 이용하여 아스코르브산(비타민 C)을 수소로 전환하는 생체 복합 시스템을 만들었습니다. 이 시스템은 장기간 안정적으로 작동했으며 지속적으로 수소를 생산할 수 있는 능력을 보여주었습니다.

박 교수는 "이번 연구는 유기염료와 인공광합성의 구체적인 메커니즘을 밝힌 중요한 성과"라며 "앞으로 기능성 미생물과 신소재를 결합한 새로운 초분자화학 기반 시스템에 대한 후속 연구를 진행하고 싶다"고 말했습니다.

본 연구는 한국연구재단 기초연구실사업과 중견연구자지원사업, 산업통상자원부 알케미스트사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과(제1 저자: 부석형 박사과정생)는 Angewandte Chemie International Edition 에 게재되었습니다.

[1] 탄닌산: 커피나 차 등에서 쉽게 얻을 수 있는 친환경 소재로, 간단한 공정을 통해 나노표면을 코팅할 수 있으며, 광촉매, 오염물질 제거 등 다양한 응용분야가 있습니다.

[2] 광여기 : 빛에너지(광자)를 이용하여 물질 내의 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시키는 과정을 말합니다.

[3] Shewanella oneidensis MR-1 : 자연계의 금속 및 광물을 분해하는 능력을 가진 세균으로, 수소생산 등 친환경 에너지 연구에 활용되고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241202124233.htm