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2017년 9월 23일 토요일

식물 광합성만큼 에너지 전환 효율이 우수한 인공 광합성



(Schematic of a solar-powered electrolysis cell which converts carbon dioxide into hydrocarbon and oxygenate products with an efficiency far higher than natural photosynthesis. Power-matching electronics allow the system to operate over a range of sun conditions. Credit: Clarissa Towle/Berkeley Lab)


 앞서 여러 차례 소개드린 것과 같이 과학자들은 이산화탄소를 원료로 더 유용한 탄화수소 물질을 생산하는 연구를 진행 중입니다. 앞서 소개한 미국 에너지부 산하의 로렌스 버클리 국립 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구팀과 다른 연구팀이 이전과는 약간 다른 관점에서 새로운 이산화탄소 변환 방법을 개발했습니다. 그것은 태양전지에서 나온 전기 에너지를 이용해서 이산화탄소로 에탄올과 에틸렌을 만드는 방법 태양전지 - 화학 반응 전지입니다. 


 물론 이전에도 비슷한 전기화학 반응이 개발된 바 있으나 이번 연구에서는 일산화탄소 같은 중간 단계없이 바로 이산화탄소에서 탄화수소 결과물을 만들 수 있으며 이에 따라 에너지 변환 효율 역시 높아졌다는 차이가 있습니다. 


 이런 태양 - 연료 과정 (sun-to-fuel path)은 에너지부의 인공 광합성 연구센터 Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP)의 핵심 목표로 태양에너지를 이용해서 이산화탄소를 탄화수소로 바꾸기 때문에 이름 그대로 인공 광합성이라고 할 수 있습니다. 문제는 효율이 낮고 비용이 비싸다는 점이었습니다. 


 JCAP의 연구팀은 태양이 가장 밝은 정오 뿐 아니라 빛이 약한 상황에서도 높은 효율을 지닌 태양전지 - 화학 반응 시스템을 개발했습니다. 고효율의 태양광 전지를 사용하는 경우 에너지 전환 효율은 5%에 달해 식물 광합성에 견줄만 하거나 오히려 더 높은 수준입니다. 이는 인공 광합성 연구에서 중요한 이정표를 세운 것입니다. 


 핵심은 물과 이산화탄소를 탄화수소로 바꾸는 전극으로 구리 - 은 나노코랄 음극에서 이산화탄소를 탄화수소와 산화물로 만들고 산화이리듐 나노튜브 양극에서 물에서 산소를 분리합니다. (a copper-silver nanocoral cathode, which reduces the carbon dioxide to hydrocarbons and oxygenates, and an iridium oxide nanotube anode, which oxidizes the water and creates oxygen)


  물론 아직 상업화까지는 많은 시간이 필요하겠지만, 자연계의 광합성(대략 3-6%)보다 효율이 높은 인공 광합성의 가능성을 보였다는 점에서는 의의가 적지 않을 것 같습니다. 현재 사용되는 바이오연료는 광합성 에너지의 극히 일부만을 사용하는 비효율성을 가지고 있습니다. 광합성으로 식물도 에너지를 사용해야 하고 식물의 경우 줄기, 잎, 뿌리 등 다양한 부분을 만들어야 하기 때문에 당연히 광합성 에너지의 대부분은 인간이 회수하기 어렵습니다. 하지만 인공 광합성을 통해 중간 단계 없이 바로 탄화수소를 얻을 수 있다면 그 효율은 대단히 높아질 것으로 기대할 수 있습니다. 


 과연 경제적인 생산이 가능할지 결과가 주목됩니다. 


 참고 


More information: Gurudayal Gurudayal et al, Efficient solar-driven electrochemical CO2 reduction to hydrocarbons and oxygenates, Energy Environ. Sci. (2017). DOI: 10.1039/c7ee01764b




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