[GT] 인공 광합성을 통한 재생 에너지 생산의 고효율성 확보
태양광 기술은 태양 에너지의 약 20%만 포착할 수 있어 매우 비효율적인...



  • [GT] 인공 광합성을 통한 재생 에너지 생산의 고효율성 확보

    태양광 전지에 의해 활용되는 ‘풍력’ 및 ‘태양광’ 발전은 오늘날 사용 가능한 소위 재생 에너지의 두 가지 주요 형태이다. 그러나 풍력 터빈과 태양광 발전은 모두 환경 영향 및 기타 복잡한 요인 측면에서 고려하면 주요 단점을 갖고 있다. 따라서 합성 광합성의 형태로 세 번째 소스를 추가하면 재생 가능 에너지 환경이 크게 개선될 수 있다. 그리고 부피가 큰 배터리 없이 에너지를 쉽게 저장할 수 있는 능력은 지구에 깨끗하고 효율적으로 전력을 공급하는 인간의 역량을 극적으로 향상시킬 수 있다.

    오늘날 인간이 가지고 있는 인공 광합성에 가장 가까운 과정은 태양 전지가 태양 에너지를 전기로 변환하는 광전지 기술이다. 그러나 태양광 기술은 태양 에너지의 약 20%만 포착할 수 있어 매우 비효율적인 것이 현실이다. 반면, 광합성은 근본적으로 이보다 훨씬 더 효율적이다. 광합성은 태양 에너지의 60%를 유관한 생체 분자의 화학 에너지로 저장할 수 있기 때문이다.

    단순한 광전지의 효율은 반도체의 빛 에너지 흡수 능력과 전지의 전력 생산 능력에 의해 제한된다. 하지만 합성 광합성은 이 한계를 쉽게 능가할 수 있다. 왜 그럴까? 인공 광합성에는 근본적인 물리적 제한이 없기 때문이다. 과학 엔지니어들은 이미 자연 광합성 분야에서 선례가 있기 때문에 효율이 60%인 시스템을 쉽게 그릴 수 있고, 좀 더 욕심을 내자면 최대 80% 효율의 시스템까지 가능한 것으로 보고 있다.

    광합성은 인공 광합성의 첫 번째 단계인 물 분해에서 엄청난 효율을 보여준다. 식물의 광시스템 2형(II) 단백질은 이 작업을 초당 1천 번 수행한다.

    광합성은 식물이 태양의 빛과 물 분자를 포도당 형태의 사용 가능한 에너지로 변환하는 복잡한 과정이다. 이를 식물은 단백질, 효소 및 금속뿐만 아니라 일반적으로 유명한 엽록소와 같은 안료를 사용한다.

    ‘켐 케탈리시스(Chem Catalysis)’ 저널에 발표된 연구에 따르면 연구원들은 빛을 수집하고 물 분자를 분해하여 수소를 생성하는 ‘인공 잎’ 유사체를 구축하여 식물의 이 프로세스를 모방하고 있다. 이 수소는 연료 전지에 사용되어 차량에서 주택, 소형 전자 장치, 실험실 및 병원에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급할 수 있다.

    관련 연구자들은 어떤 환경에서 이 시스템이 가장 잘 작동하는지, 그리고 그 이유를 이해하기 위해 천연 광시스템 2형 단백질과 합성 촉매의 조합을 실험하고 있다. 이들은 특히 지구 환경에서 풍부하고 쉽게 접근할 수 있으며, 독성이 없는 화합물과 화학 물질을 사용하는 데 중점을 두고 있다.

    과학자들이 인공 광합성을 연구한 것은 1970년대부터이다. 이들은 향후 10∼15년 내에 상업적 인공 광합성 시스템이 가동될 수 있을 만큼 큰 진전이 있을 것으로 예상하고 있다.

    - CHEM CATALYSIS, “Do multinuclear 3d metal catalysts achieve O–O bond formation via radical coupling or via water nucleophilic attack? WNA leads the way in [Co4O4]n,” by Roman Ezhov, et al. © 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.

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