일본 가와니시, 2022년 11월 15일 /PRNewswire/ — 기후 변화, 천연 자원 고갈, 종의 멸종, 플라스틱 오염, 삼림 벌채와 같은 환경 문제는 인구 폭발로 인해 전 세계적으로 악화되고 있습니다.
이산화탄소(CO2)는 온실가스이며 기후 변화의 주요 원인 중 하나입니다. 이러한 맥락에서, "인공 광합성(CO2 광환원)"이라는 공정은 식물처럼 CO2, 물, 태양 에너지를 이용하여 연료 및 화학 물질 생산을 위한 유기 원료를 생산할 수 있습니다. 동시에, CO2가 에너지 및 화학 자원 생산의 원료로 사용되므로 CO2 배출량 감소에도 기여합니다. 따라서 인공 광합성은 최신 친환경 기술 중 하나로 여겨집니다.
MOF(금속유기골격체)는 무기 금속 클러스터와 유기 연결체로 구성된 초다공성 물질입니다. 나노미터 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 포집하고 광환원시켜 인공 광합성을 가능하게 하는 능력을 지닌 것으로 밝혀졌습니다.
반면 양자점은 0.5~9nm 크기의 초박형 물질로, 광학적 특성이 양자화학 및 양자역학의 법칙을 따릅니다. 각 양자점은 단 몇 개 또는 수천 개의 원자나 분자로 구성되어 있기 때문에 "인공 원자 또는 인공 분자"라고 불립니다. 이 크기 범위에서는 양자 구속 효과라는 물리적 현상으로 인해 전자의 에너지 준위가 더 이상 연속적이지 않고 분리됩니다. 이 경우 방출되는 빛의 파장은 양자점의 크기에 따라 달라집니다. 양자점은 높은 광 흡수 능력, 다중 엑시톤 생성 능력, 넓은 표면적 덕분에 인공 광합성에도 응용될 수 있습니다.
MOF와 양자점은 모두 그린 사이언스 얼라이언스(Green Science Alliance)의 연구 개발 과정에서 합성되었습니다. 이전에 이들은 MOF-양자점 복합 소재를 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 시트에 고정화하고, 실제 산업 현장에서 연속적으로 가동 가능한 새로운 포름산 생산 공정을 개발했습니다. 인공 광합성 반응이 완료되면 포름산이 함유된 물을 제거하고, 용기에 새로운 깨끗한 물을 다시 채워 넣어 인공 광합성을 연속적으로 재개할 수 있습니다.
포름산은 수소 연료를 대체할 수 있습니다. 전 세계적으로 수소 사회 확산을 가로막는 주요 요인 중 하나는 수소가 우주에서 가장 작은 원자이기 때문에 저장이 어렵고, 밀폐성이 뛰어난 수소 저장 탱크를 생산하는 데 막대한 비용이 소요된다는 점입니다. 또한 수소 가스는 폭발성이 있어 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다. 포름산은 액체이기 때문에 연료로 사용하기에 저장이 용이합니다. 필요에 따라 포름산을 촉매로 사용하여 현장에서 수소를 생산할 수도 있습니다. 뿐만 아니라 포름산은 다양한 화학 물질의 원료로도 활용될 수 있습니다.
인공 광합성의 효율은 아직 낮지만, 녹색과학연합은 인공 광합성의 실용화를 위해 효율 향상을 위한 노력을 계속할 것입니다.