일본 가와니시, 2022년 11월 15일 /PRNewswire/ — 세계 인구 급증으로 인한 기후 변화, 자원 고갈, 종의 멸종, 플라스틱 오염, 삼림 벌채와 같은 환경 문제가 더욱 심각해지고 있습니다.
이산화탄소(CO2)는 온실가스이며 기후 변화의 주요 원인 중 하나입니다. 이러한 맥락에서, "인공 광합성(이산화탄소 광환원)"이라는 과정은 식물처럼 이산화탄소, 물, 태양 에너지를 이용하여 연료 및 화학 물질 생산에 필요한 유기 원료를 생산할 수 있습니다. 동시에, 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있으며, 이러한 원료는 에너지 및 화학 물질 생산에 사용됩니다. 따라서 인공 광합성은 가장 앞선 친환경 기술 중 하나로 여겨집니다.
MOF(금속-유기 골격체)는 무기 금속 클러스터와 유기 연결체로 구성된 초다공성 물질입니다. MOF는 나노 범위에서 분자 수준으로 구조를 제어할 수 있으며 넓은 표면적을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 MOF는 가스 저장, 분리, 금속 흡착, 촉매, 약물 전달, 수처리, 센서, 전극, 필터 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 최근에는 MOF가 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 광환원 반응(인공 광합성)을 통해 유기 물질을 생산하는 데 활용될 수 있음이 밝혀졌습니다.
반면 양자점은 양자 화학 및 양자 역학의 법칙을 따르는 광학적 특성을 지닌 초미세 물질(0.5~9나노미터)입니다. 각 양자점은 단 몇 개에서 수천 개의 원자 또는 분자로 구성되어 있기 때문에 "인공 원자 또는 인공 분자"라고 불립니다. 이 크기 범위에서 전자의 에너지 준위는 양자 구속 효과라는 물리적 현상으로 인해 더 이상 연속적이지 않고 분리됩니다. 이 경우 방출되는 빛의 파장은 양자점의 크기에 따라 달라집니다. 이러한 양자점은 높은 광 흡수 능력, 다중 엑시톤 생성 능력 및 넓은 표면적 덕분에 인공 광합성에도 응용될 수 있습니다.
MOF와 양자점은 모두 그린 사이언스 얼라이언스(Green Science Alliance)에서 합성되었습니다. 이들은 이전에 MOF-양자점 복합체를 이용하여 인공 광합성용 특수 촉매인 포름산을 성공적으로 생산한 바 있습니다. 그러나 이러한 촉매는 분말 형태이며, 각 공정마다 여과를 통해 회수해야 하므로 연속적인 공정이 불가능하여 실제 산업 현장에 적용하기 어렵습니다.
이에 그린 사이언스 얼라이언스(주)의 카지노 테츠로, 이와바야시 히로히사, 모리 료헤이 박사는 자신들의 기술을 활용하여 이러한 특수 인공 광합성 촉매를 저렴한 섬유 소재에 고정화하는 새로운 포름산 생산 설비를 개발했습니다. 이 설비는 실용적인 산업 응용을 위해 연속 가동이 가능합니다. 인공 광합성 반응이 완료되면 포름산이 함유된 물을 제거하고, 새로운 깨끗한 물을 용기에 넣어 인공 광합성 반응을 계속 진행할 수 있습니다.
포름산은 수소 연료를 대체할 수 있습니다. 전 세계적으로 수소 기반 사회 도입을 가로막는 주요 요인 중 하나는 우주에서 가장 작은 원자인 수소를 저장하기 어렵다는 점입니다. 밀폐된 수소 저장소를 건설하는 데 막대한 비용이 소요될 뿐만 아니라, 수소 가스는 폭발성이 있어 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다. 반면 포름산은 액체 상태이기 때문에 연료로 저장하기가 훨씬 용이합니다. 필요에 따라 포름산은 현장에서 수소를 생성하는 반응을 촉매할 수도 있습니다. 또한 포름산은 다양한 화학 물질의 원료로도 활용될 수 있습니다.
인공 광합성의 효율이 현재 매우 낮더라도, 녹색과학연합은 효율을 높이고 실용화된 인공 광합성을 도입하기 위해 계속해서 노력할 것입니다.