인공광합성 기술로 값싼 수소와 석유화학제품 원료생산이 기대돼
식물의 광합성 작용을 모방한 인공광합성 기술이 물과 이산화탄소를 분리시켜 나갈 수 있는 산화구리라는 촉매를 개발하여 값싼 수소와 함께 석유화학제품 원료를 만들어 낼 수 있게 돼
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기사입력 : 2023.10.26 05:49
식물의 광합성 작용은 지구생태계의 생물체의 먹거리를 생산하고 있다. 이런 먹거리에 의해서 지구생태계는 네트워크가 구축돼 지속적으로 진화 발전해 왔다.
최근 이런 식물 광합성 작용을 기반으로 하는 인공 광합성기술이 개발되면서 값싼 수소를 생산하고 석유화학제품 원료를 생산할 수 있어 지구환경을 되살려 나갈 수 있는 기틀이 마련되고 있다.
어찌보면 지구생태계의 모든 생물체들은 태양에너지에 의해서 살아가고 화석연료도 역시 태양에너지에서 파생된 것으로 화석연료를 중단시킬 수 있는 방안도 역시 태양에너지에서 찾아내고 있는 셈이다.
그린피스는 재생 가능한 에너지를 무한정 제공하는 태양의 중요성을 되새기기 위해서 매년 3월 두번째 금요일을 ‘태양 감사의 날’로 지정하였다.
태양은 5,250℃의 에너지를 8분여 동안 우주 공간을 날아서 1억 5천만 킬로미터 떨어진 지구 표면에 쉼 없이 뿌려주고 있다. 엄청난 양의 에너지는 대부분 우주 공간에 방출하고 지구에 도달하는 양은 22억분의 1에 그친다.
그중에서도 30%는 다시 우주로 반사되고 70%만이 흡수되는데 전 세계 사람들이 1년간 사용하는 에너지의 총량은 지구로 유입되는 태양에너지의 1시간분에 불과하다고 한다.
모든 생명체는 생존을 위해 에너지가 필요하지만 빛 에너지를 곧바로 사용할 수는 없어 유기물 형태로 전환되어야만 한다. 그런데 일부 미생물을 제외하고 지구상에서 빛 에너지를 유기물에 저장할 수 있는 생물은 오직 식물뿐이다.
식물들의 잎에 있는 엽록체가 태양에너지를 바탕으로 물과 탄소로 광합성 작용을 하여 각종 먹거리가 되는 유기물질을 만들어 내고 있다. 사람을 포함한 모든 동물들은 이런 식물들이 만들어 놓은 유기물질을 에너지원으로 살아가고 있다.
모든 생명체는 살아가기 위해 에너지가 필요하기 때문에 생명체란 물질과 에너지가 산재한 우주에서 에너지를 포집해 활용할 수 있는 존재이다. 결국 지구에 사는 모든 생명체는 태양광 에너지에 의지해 살고 있으며 식물들이 만들어 놓은 유기물질과 산소를 먹고 호흡하면서 살아가고 있는 것이다
우리의 생활은 모두 에너지를 사용하고 있다. 즉 음식, 의류, 일, 그리고 여행 등 모든 곳에 에너지가 필요하다. 아무리 검소하게 생활한다고 해도 기본적인 삶을 영위하기 위해서는 불가피하게 에너지가 필요하기 마련이다.
광합성은 식물이 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 과정으로 지구상 모든 생명체의 에너지 근원이라고 할 수 있다. 그런 만큼 이 기술을 상용화할 경우 지구 에너지 문제를 해결할 수 있는 열쇠가 될 수 있다. 그러나 이 광합성의 비밀을 흉내 내기가 쉽지 않은 상황이어서 세계 각국들은 인공광합성에 엄청난 연구개발비를 투자하고 있다.
최근 스위스 로잔공대 연구팀이 그동안 난제였던 촉매의 효율성 문제를 근원적으로 해결함으로써 인공광합성을 이용한 새로운 청정에너지 시대가 열릴 가능성을 예고하고 있다.
최근 ‘사이언스’ 지에 따르면 스위스 로잔 공과대학 연구팀은 태양전지 햇빛을 전기로 바꾸는 태양전지를 이용해 이산화탄소를 쪼개 일산화탄소와 산소를 생산할 수 있는 고품질 촉매를 만들었다.
생산 비용을 줄인 이 촉매를 상용화할 경우 햇빛과 물, 이산화탄소만으로 가솔린과 경쟁할 수 있는 새로운 유형의 연료 생산이 가능하다. 특히 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 대량의 에너지로 변환할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.
미국 신재생에너지연구소의 신재생에너지 전문가 존 터너 박사는 “로잔 공대 연구팀이 청정 에너지 생산에 기폭제가 될 멋진 연구 성과를 거두었다”며, 향후 이 촉매의 상용화 과정에 큰 기대감을 표명했다.
인공광합성 과정은 이산화탄소를 산소와 일산화탄소(CO)로 분해하는 일부터 시작된다. 특히 일산화탄소는 수소와 결합해 다양한 종류의 탄화수소를 만들 수 있다. 탄화수소는 천연가스, 석유(원유), 메탄올 등 중요한 에너지 자원 속에 들어 있는 물질이다.
인공 촉매를 통해 이런 에너지를 만들어낼 경우 전통적인 에너지 산업에 큰 변화가 일어날 수 있다. 특히 지구온난화의 주범으로 지목받고 있는 이산화탄소를 새로운 에너지로 재생할 경우 에너지 산업 전반에 혁신이 일어날 것으로 보인다.
이런 이유로 지난 1990년대 이후 많은 과학자들이 새로운 촉매 개발에 많은 노력을 기울여왔다. 그리고 비용이 적게 들면서 분해 효율이 높은 산화구리 촉매를 만들어 빠른 속도로 물과 이산화탄소를 분해할 수 있게 되었다.
물과 이산화탄소를 분해하면서 물 분해속도가 너무 높아 산소와 일산화탄소 대신 원치 않았던 수소분자(H2)가 대량으로 만들어지고 있었다. 이런 과정을 세심하게 지켜본 사람은 로잔공대 대학원생인 마르셀 슈라이어는 산화구리를 촉매로 활용하여 물 분해속도를 조절할 수 있었다.
슈라이어의 아이디어에 힘을 얻은 그래츨 교수 연구팀은 최고 효율의 촉매 개발에 착수했고, 지금의 산화구리 촉매를 제작할 수 있었다. 이번에 개발한 촉매는 태양전지에서 채취한 에너지의 13.4%만으로 일산화탄소 결합이 가능했다.
로잔공대 연구 성과로 향후 신재생에너지 개발이 더 활발해질 것으로 내다봤다. 그러나 로잔공대 연구가 아직 기초 단계에 머무르고 있고 저렴한 신재생에너지를 생산하기까지 갈 길이 멀다며, 효율이 더 뛰어난 전극 개발에 관심을 가져줄 것으로 당부했다.
한편 일본 정부는 ‘그린 성장전략’에 2조 엔의 그린 이노베이션 기금을 조성하여 CCUS 관련 기술과 인공광합성 기술 등을 개발한다는 계획을 수립하였다. 그리고 2050년까지 기존 플라틱과 동일한 생산 단가(100엔/kg)을 달성하여 실용화하고 이를 위해 2030년까지 태양에너지 변환효율을 10%달성하고 수소제조 코스트를 30엔/Nm3을 달성하는 목표를 세우고 최종적으로 수소 제조 코스트를 20엔/Nm3까지 낮추는 것이 목표로 하고 있다.
인공 광합성이 가능하게 하는 가장 핵심기술은 촉매 기술에 달려있다며 그간 10년이상 매달려 온 인공합성 기술이 결국 스위스 로잔공과대학 연구팀에 의해서 완성된 셈이다.
인공 광합성에는 빛에 반응하여 특정 화학 반응을 불러일으키는 ‘광촉매’라는 새로운 촉매를 사용한다. 이 광촉매를 통해 태양광이 반응하여 물을 수소와 산소로 분해한다. 그리고 ‘분리막’을 통해 수소만 분리하고 모아둔다.
그 다음 공장이나 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 분리막으로 걸러낸 수소와 결합하여 합성 촉매를 활용하여 화학물질을 만들어낸다. 이와 같은 합성 과정을 통해 현재 연구되는 것이 올레핀이라는 인공 광합성 기술이다.
그간 인공광합성기술은 ‘광촉매, 분리막, 합성 촉매’ 3가지 분야에서 연구가 진행되어 왔으나
수소와 산소를 각각 별도의 광촉매를 통해 생성하는 ‘텐덤 셀 형 광촉매’를 개발하여 각각 산소와 수소를 생산해 광합성의 효율을 2017년 3.7%, 2019년 5.5%까지 달성하는데 성공하였다.
또한 ‘질화 타르탄’이라는 광촉매를 활용하여 빛을 투과하기 쉬운 적색 투과라는 특징을 가지는 전극을 개발하여 7%까지 변환효율이 올라가 결국 2022년에는 10%를 달성하게 된 것이다.
이같이 식물의 광합성 작용을 모방한 인공광합성 기술이 물과 이산화탄소를 분리시켜 나갈 수 있는 촉매를 개발하였고 이를 기반으로 화학작용에 의해서 값싼 수소와 석유화학제품 원료를 만들어 낼 수 있게 되어 지구환경을 되살리는데 성큼 다가섰다고 할 것이다.
