[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 자연의 광합성을 모사해 급증하는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 인공광합성 기술이 주목받고 있다. 국내 연구진이 빛의 유무에 따라 인공광합성 반응경로가 달라지는 점을 밝혀냈다. 이산화탄소로부터 고부가가치 물질인 일산화탄소를 선택적으로 생산할 계기를 마련했다는 평가다.

22일 한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권)에 따르면 이 연구소 청정에너지연구센터 주오심 박사팀은 자연에서 발생하는 광합성을 모사하는 인공광합성 기술에서 반도체 전극과 금속복합체를 이용해 빛의 유무에 따른 반응의 차이와 그 원리를 밝혀냈다.

연구결과(논문명 "Photoelectrochemical CO2 reduction with a rhenium organometallic redox mediator at semiconductor/aqueous liquid junction interfaces")는 화학 분야 국제 저널인 독일응용화학회지(Angewandte Chemie·앙게반테 케미) 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다.

표지 논문: KIST 연구진이 규명한 빛을 직접 사용했을 때의 인공광합성 원리의 모식도 [자료=KIST]

자연에 존재하는 광합성에서는 광합성 시스템과 효소를 활용해 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 이산화탄소 환원 반응만 일어나는 데 반해 광전극과 조촉매를 사용하는 인공광합성은 이산화탄소 환원 반응 외에도 수소 발생 반응이 함께 일어나기 때문에 일산화탄소 생산 효율을 높이기 어려웠다. 광전극(Photoelectrode)은 빛을 흡수해 전력을 만들어 낼 수 있는 전극이고, 조촉매(Cocatalyst)는 촉매 반응을 향상시켜주는 화학종을 말한다.

현재 인공광합성은 태양광을 전기에너지로 바꾼 후 이용하는 방법과 빛 에너지를 직접 이용하는 방법이 있다. 하지만 두 방법을 사용했을 때의 차이가 아직 알려지지 않아 인공광합성 기술 설계에 큰 어려움이 있었다.

KIST 연구진은 광전극과 조촉매를 이용, 빛 에너지를 직접 공급하면 자연 광합성처럼 이산화탄소 환원 반응만 일어나게 할 수 있음을 밝혀냈다.

전기에너지를 이용할 때는 이산화탄소 환원 반응을 위한 높은 에너지가 필요하다. 그 경우 높은 에너지를 가진 전자는 이산화탄소 환원뿐만 아니라 수소 발생 반응도 쉽게 일으키게 된다. 하지만 빛 에너지를 공급할 경우 반도체의 전자는 이산화탄소 환원 반응에만 적합한 수준의 에너지만 갖게 돼 수소 발생 반응은 일어나지 않게 된다.

KIST 연구진은 이런 사실을 이용해 빛 에너지를 공급하는 조건에서 98% 이상의 전자가 이산화탄소 환원 반응에 참여하게 유도할 수 있었다. 전기에너지만 공급하는 경우에는 전자 중 14%만이 이산화탄소 환원 반응에 사용됐다.

주 박사는 "이번 결과는 앞으로 인공광합성 모사 시스템을 디자인할 때 중요한 이론적 배경이 될 것"이라고 밝혔다.

kimys@newspim.com