전복껍데기 영롱한 무지개빛 본따 만들었더니...인공 광합성 효율↑

조선비즈
  • 김태환 기자
    입력 2019.01.29 12:00

    국내 연구진이 여러 겹으로 이뤄진 전복껍데기를 본따 판상형 구조의 인공 광합성 소자를 개발했다. 이 소자는 인공 광합성 효율을 기존보다 2.5배 향상시킬 수 있어 다양한 녹색 에너지 기술에 적용될 것으로 기대된다.

    인공 광합성은 태양에너지에서 유용한 화학물질을 생산하는 친환경 기술이다. 빛을 흡수한 반도체 광전극은 촉매와 만나 물 분해 산화 환원반응을 일으키고 수소이온 등 화학물질을 만든다.

    전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. /한국연구재단 제공
    29일 한국연구재단에 따르면 류정기 UNIST 교수와 김병기 연세대 교수 공동 연구팀은 최근 산화그래핀과 분자촉매로 전복껍데기와 닮은 인공 ‘진주층(Nacre)’을 만들고 인공 광합성 효율을 향상시키는 데 성공했다.

    인공 광합성 시 필수 과정인 물 분해 산화 환원반응은 촉매를 필요로 한다. 이 촉매는 주로 이리듐, 루테늄과 같은 희귀금속과 코발트, 철, 니켈 등으로 만든 고체 화합물을 사용하는데 원재료 가격이 비싸다.

    이외 분자 내 포함된 금속원자를 촉매로 활용하는 분자 촉매도 있지만 이 역시 광전극 표면에 고정이 안된다는 단점이 있어 실제 쓰임새가 많지 않다. 이번 연구는 이 분자 촉매의 단점을 개선한 촉매 조립체의 설계방법과 실제 산화 환원 반응 효율을 확인한 결과다.

    연구팀은 우선 탄산칼슘과 키틴 등 유기물이 번갈아쌓여 있는 전복껍데기가 쉽게 부서지지 않고 탄성을 갖는다는 점에 주목했다. 전복껍데기의 구조를 살펴본 결과 키틴과 같은 유기물이 얇은 판 형태로 깔려있는 탄산칼슘 미세결정을 접착·고정시켜 진주층을 이뤘다.

    연구팀은 이 키틴 대신 전기전도성이 높은 산화 그래핀을 이용했다. 실제 산화 그래핀과 분자 촉매를 광전극에 번갈아 노출시키자 층을 이룬 고정된 구조를 갖출 수 있었다.

    산화 그래핀은 분자 촉매를 전극 표면에 쌓기 위해 접착제로 역할뿐 아니라 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달하는 것으로 나타났다. 판상형으로 조립된 진주층 모방 광전극은 기존보다 2.5배 향상된 물분해 효율을 보였다.

    류정기 교수는 "이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해, 쉽고 간편하게 설계‧개발한 것이다"라며 "향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

    한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구), 나노‧소재기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 1월 22일자 표지논문으로 실렸다.

    내가 본 뉴스 맨 위로

    내가 본 뉴스 닫기