해빛과 물로 연료 만드는 ‘인공 잎’ 개발

- 캐임브리지대, 단독으로 광합성으로 물과 이산화탄소에서 에너지 생산

태양과 물에서 연료로 사용할 수 있는 가스를 합성할 수 있는 '인공 잎(Artificial leaf)’이 개발됐다.
 
케임브리지 대학 화학과 버질 안드레이(Virgil Andrei) 박사팀이 개발한 인공 잎은 상대적으로 저렴한 코발트를 사용하고 있어 저렴한 비용으로 생산이 가능하며, 비와 흐린 날 등 태양광이 약한 때에도 안정적으로 연료를 생산할 수 있다.
 
연구 결과는 세계 권위 학술지 네이처 머티어리얼(Nature Materials)에 논문명 ‘Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems’으로 21일(현지 시각) 게재됐다.
 
케임브리지 대학
연구팀은 식물이 태양광을 이용한 광합성에 의해 물과 이산화탄소로부터 에너지를 생산하는 구조에 주목했다. 자연에 존재하는 광물인 코발트(cobalt)를 사용한 촉매와 페로브스카이트 (perovskite)·광전극(BiVO4)으로 만든 2종류의 흡광제를 결합, 빛·물·이산화탄소에서 가스연료를 생산하는 인공 잎 개발에 성공했다.
 
연구진이 개발한 인공 잎을 탄산가스가 녹아있는 물에 담갔다가 빛을 쬐면 한쪽 흡광제와 촉매에서 산소가 발생한다. 동시에 다른 쪽 흡광 물질이 이산화탄소와 물을 일산화탄소와 수소로 변환한다. 이러한 가스를 섞어 신가스(Syngas, synthesis gas)를 만들었다.
 
신가스은 일산화탄소와 수소가 섞인 혼합가스로, 주로 산업 분야에서 비료와 의약품 등 제조에 사용되고 있다. 하지만, 1970년대까지 도시가스로 사용된 적도 있어, 연료로서 용도도 기대할 수 있다.
 
신가스의 연구에 7년 이상 매진해 온 안드레이 박사는 "현재는 신가스는 이산화탄소를 발생시키는 산업 공정에 의해 생산되고 있다. 하지만, 인공 잎을 사용하면 탄소제로(carbon zero) 신가스을 생산 할 수 있다“고 말했다. 즉, 인공 잎으로 이산화탄소를 배출하지 않고 태양광만으로 신가스을 합성할 수 있다는 얘기다.
 
지금까지도 물에서 연료를 합성할 수 있는 인공 잎이 등장했지만, 자체적으로 연료를 합성하지 않고 박테리아를 통해 합성했다. 또한 기존 인공 잎은 촉매로 은이나 백금을 사용해 비용이 많이 들었다.
 
하지만 연구팀이 개발한 인공 잎은 촉매로 저렴한 코발트는 기존 촉매보다 연료를 합성하는 능력이 높아 약간의 에너지로도 연료 합성을 할 수 있다. 또한, 시간과 기상 조건에 상관없이 언제든지 어디서나 연료 생산이 가능하다.
 
안드레이 박사는 "풍력과 태양광 등 신재생 에너지는 2019년 현재 전 세계 총 에너지 수요의 약 25%밖에 되지 않는다"며, “앞으로 지구 온난화 대책에는 화석연료 대신할 에너지원이 열쇠가 될 것”이라고 말했다.
 
연구팀은 향후 가솔린을 대체할 액체 신가스 연료와 에탄올을 생산할 수 있는 인공 잎 개발을 목표로 하고 있다.
 
김들풀 기자 itnews@