오늘날 많은 연구자들이 인공 광합성 연구를 진행중에 있습니다. 태양 에너지를 이용해서 인공적 광합성을 통해 수소와 같은 에너지원으로 바꿀 수 있다면 태양에너지를 인간이 사용가능한 에너지로 바꾸는데 있어 획기적인 진전이 이룰 수 있는 가능성 때문입니다. (물론 기술적으로 가능하다고 해도 비용 문제를 비롯 극복해야 할 문제가 추가로 더 있을 수 있습니다)
현재 인류는 에너지 작물을 재배하거나 혹은 기존의 곡물을 이용해서 바이오 연료를 생산하기도 합니다. 하지만 실제로 연료로 전환되는 것은 실제 광합성 에너지의 극히 일부에 불과한 것이 식물이 광합성을 통해 만드는 에너지의 대부분은 식물이 생존하는 데 필요한 여러 에너지 및 뿌리, 줄기, 잎, 꽃과 같은 기타 부분에 널리 사용되기 때문입니다. 우리가 취할 수 있는 열매는 전체 에너지의 극히 일부에 불과합니다.
따라서 만약 세포에 의존하지 않고 태양에너지를 바로 인간이 사용할 수 있는 형태의 에너지로 변경할 수 있다고 한다면 그 가능성을 기대해 볼 만 할 것입니다. 하지만 실제로는 광합성 자체가 복잡한 연쇄 반응일 뿐 아니라 인간이 만들어낸 촉매제들은 자연이 오랜 세월 진화시킨 촉매제에 비해 그 효율이 매우 떨어지는 게 사실입니다.
인공 광합성에 대해서 여러가지 연구가 진행중인 가운데 그 중에서는 굳이 광합성의 전체 과정을 모방할 필요는 없다는 연구자들도 많습니다. 우리가 필요한 것은 당분이 아니라 수소 같이 에너지원으로 사용할 수 있는 자원이면 족하기 때문입니다. 그러나 이런 단순화 과정을 거치려고 해도 물을 산화시키는 Water - oxidizing catalysts 는 반드시 필요하게 됩니다.
(인공 광합성의 한가지 예시라고 할 수 있는 Triad assembly 의 구조도. D 는 Donor 로 전자를 제공하며 이 과정에서 물을 산화 시킨다 (즉 water oxidizing catalyst). 이 전자는 궁극적으로 수소이온으로 전해져 수소 원자를 합성한다. 결국 광에너지를 이용해서 물을 산소와 수소로 분해하는 과정 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 PatriciaR )
최근 스웨덴 왕립 기술 연구소 (KTH) 의 과학자들은 물을 산소로 산화시키는 일을 거의 자연에 존재하는 광합성 만큼 빨리 진행할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 합니다. 이런 새로운 촉매의 개발은 다양한 형태의 연료 (CO2 를 이용해서 메탄올 같은 연료를 만드는 것까지 포함) 를 만드는데 많은 도움을 줄 수 있습니다.
물론 이를 산업적인 규모로 생산하고 더 중요하게는 가격 경쟁력을 확보할 수 있도록 저렴하게 (왜냐하면 이렇게 생산한 연료가 배럴당 천달러라든지 아니면 리터당 2만원씩 한다면 누구도 쓸 수 없을 것이기 때문에) 대량 생산하는 일은 당장에는 가능하지 않은 일입니다. 하지만 미래에 이를 가능하게 만드려면 지금부터 기초 연구가 중요하다고 하겠습니다.
이 연구는 과학저널 Nature Chemistry 에 기재되었습니다.
Journal Reference:
Lele Duan, Fernando Bozoglian, Sukanta Mandal, Beverly Stewart, Timofei Privalov, Antoni Llobet, Licheng Sun. A molecular ruthenium catalyst with water-oxidation activity comparable to that of photosystem II. Nature Chemistry, 2012; DOI: 10.1038/nchem.1301
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