물 위에 떠서 연료를 생산하는 인공 잎

(A sample artificial leaf floating on the river Cam near the University of Cambridge: Credit: Virgil Andrei)

식물의 광합성처럼 태양 에너지를 이용해서 인간에게 유용한 연료나 화학물질을 합성하려는 연구는 현재 여러 곳에서 활발히 진행되고 있습니다. 아직 상업적인 대량 생산이 가능할 정도의 성과는 없지만, 계속 도전하다보면 언젠가는 성과를 낼지도 모릅니다.

케임브리지 대학의 버질 안드레이 박사 (Dr Virgil Andrei)와 그 동료들은 기존에 개발했던 인공 잎 (artificial leaf) 기술을 한 단계 더 발전시켜 물 위에 뜰 수 있는 형태로 만들었습니다. 기존에 개발한 인공 잎은 두 개의 페로브스카이트 (perovskite) 광흡수 층과 코발트 촉매가 물과 이산화탄소를 원료로 해서 산소, 수소, 일산화탄소를 생성했습니다. 수소와 일산화탄소는 합성가스 (syngas)로 이를 추출하면 여러가지 화석 연료와 유사한 물질들을 만들 수 있습니다.

하지만 당시 인공 잎은 진짜 잎과 비교해서 너무 무거웠습니다. 연구팀은 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide)을 얇은 폴리에스터 박막에 입힌 후 백금 촉매를 사용하는 방식으로 무게를 대폭 줄였습니다. 그리고 이를 매우 얇는 탄소 기반층으로 둘러싸 물에서 보호했습니다.

이렇게 만든 인공 잎은 물 위에 띄울 수 있을 정도로 가벼운데, 물 위에서 직접 물 분자와 이산화탄소를 이용해 합성 가스를 만들 수 있습니다. 태양 에너지 전환 효율은 수소 0.58%, 일산화탄소 0.053%로 낮은 것처럼 보이지만, 이전 연구에 비해 상당히 진전된 것이며 사실 실제 광합성 효율을 어느 정도 따라잡은 수준입니다.

연구팀은 인공 잎을 더 발전시켜 에너지 효율이나 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 이 인공 잎은 물과 햇빛이 있는 곳 어디에서든 합성 가스를 만들 수 있습니다. 다만 비싼 물질을 사용하는 만큼 경제성이 있을지는 좀 더 두고봐야 알 수 있을 것 같습니다.

참고

https://newatlas.com/energy/floating-artificial-leaves-solar-fuels/

https://www.cam.ac.uk/stories/floating-artificial-leaves

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04978-6

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