이산화탄소로 고부가가치의 저비용&대용량 수소 만들기: ‘인공광합성’

<이산화탄소로 고부가가치의 저비용, 대용량 수소 만들기: ‘인공광합성’>

 

감축과 적응의 두 마리 토끼를 잡다

 기후변화문제는 더 이상 무시할 수 없는 사회적 문제이며, 우리가 반드시 해결해야만 하는 과제이다. UNFCCC의 COP21등을 통해 세계는 온실가스를 줄여 온난화 문제를 해결하고자 노력을 하는 중이다. 기후변화 대응에서 중점적으로 집중해야 하는 것은 감축(mitigation)과 적응(adaption)의 두 가지 측면이다. 현재 개발되고 있는 기술들을 포함하여 지금까지의 대응 기술은 대부분 감축(mitigation)의 측면에 집중한다. 그런데, 이 시점에서 태양에너지와 같은 무한한 유기 에너지를 가지고 감축과 적응의 측면을 모두 포함하며 새로운 에너지를 산출해 내기까지 한다면, 앞으로의 에너지 사업은 어떻게 될까?

 “태양에너지를 이용해 우리의 식량을 만들어주는 식물이 없다면, 인간의 존재 자체가 불가능 할 것 이다.” -레이첼 카슨 [침묵의 봄]( p. 94)

 그렇다. 우리는 식물의 광합성 작용을 통해 필요한 산소와 에너지원을 공급받아 왔다. 그렇기에 광합성을 하는 식물이 없는 인간의 삶은 상상하기 어렵다. 그런데 광합성작용은 이를 넘어서서, 앞서 말한 감축과 적응의 측면을 포함하며 유해하고 쓸모없는 산업 폐기물로서의 이산화탄소를 새로운 고부가가치를 지닌 에너지원으로 바꿀 수 있는 기술을 만들어 낼 수도 있다.

 

자연광합성을 모방하여 만들어낸, 인공광합성

<사진1. 실제 KIST에서 연구중인 그린스쿨의 인공태양광장치 (출처:KIST)>

 인공광합성(Artificial Photosynthesis)은 자연계의 광합성 메커니즘을 모방한 시스템으로, 이산화탄소와 물로부터 수소, 탄소 및 산소로 구성되는 화합물을 합성하는 기술로 정의할 수 있다. 이때 인공광합성은 자연광합성에서의 명반응과 암반응을 모방하는 방식으로 진행된다. 태양광에너지는 무한하기 때문에 우리는 이를 이용, 인공광합성을 통해 막대한 양의 연료로 사용가능한 화합물의 합성이 가능해진다. 기존의 태양광에너지를 전력으로 전환하는 기술들은 저장측면에서 많은 아쉬움을 보였다. 하지만, 인공광합성을 이용하면 다양한 화학물을 합성 할 수 있고 이들의 저장이 용이하다는 장점이 있다. 또한 여기서 물 분해 반응을 응용하면 저렴하고 대량의 수소를 얻을 수 있닫는 가치를 가지고 있다.

<사진2. 출처: RSC Publishing - Royal Society of Chemistry>

  현재의 인공광합성 연구는 자연광합성의 명반응에 주목한다. 기존 자연광합성의 명반응과 암반응의 과정을 살펴보면 다음과 같다. 

<그림3. 자연광합성에서의 명반응과 암반응(*) (출처: 인공광합성 연구동향(성봉현 박사)/Pearson Education)>

 자연광합성에서의 명반응(Light reaction)은 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어나는데, 위의 그림에서 볼 수 있듯이 물(전자를 줌)이 빛에 의해 O2와 H2로 분해되면서 전자를 방출한다. 방출된 전자는 Photosystem Ⅱ(광계Ⅱ)(**)에서 18ATP를 생성하고, PhotosystemⅠ(광계Ⅰ)(**)에서 다시 빛에너지를 통해 12 NADPH를 생성한다. 명반응에서의 핵심은 이 두 광계(Ⅰ,Ⅱ)의 메커니즘이다. 인공광합성 기술은 이 명반응의 두 광계를 모방하고자 한다. 이를 통해 생성된 전자와 NADPH를 이용하면 다양한 화학반응을 유도하여 반응을 만들어 낼 수 있다.

 전자의 이동경로를 따라 이를 어떻게 모방하느냐는 현재 다양한 분야를 통해서 학문적으로 연구중이다. 두 광계를 모두 모방하면 충분히 고효율의 에너지 창출이 가능해진다. 현재는 하나의 광계를 모방하는 인공광합성 기술이 주를 이루고 있다. 

미래에너지 산업의 고부가가치 창출

 온실가스 감축기술은 단순 저감기술을 넘어 CCS(Carbon Capture and Storage)로, 그리고 이제는 이산화탄소를 제거하면서 태양광을 이용해 산소 및 유기연료를 생성 해 내는 것 과 같은 CCU(Carbon Capture and Utilization)로 확장되고 있다. 그렇기에 CCU에 해당하는 인공광합성 기술은 앞으로도 큰 주목을 받을 것이다. 인공광합성 기술의 재료가 되는 태양에너지는 태양이 폭발하지 않는 한 무한한 에너지 이기에 이를 이용한 인공광합성 기술이 좀더 발전한다면, 우리는 보다 저렴한 비용으로 대량의 수소에너지를 생산 해 낼 수 있을 것이다.

 자연빛으로 만들어 낼 수 있는 광합성의 효율은 나뭇잎이 1%,녹조류가 3~4% 이다. 현재 연구는 자연광합성의 효율을 뛰어 넘고 저렴한 소재를 얻는 것을 목표로 하고 있다.

 인공광합성 기술을 연구하기 위해서는 태양광 흡수기술 및 화학 촉매 기술, 상용화를 위한 장치 제조기술등의 고효율의 시스템을 마련하기 위해 여러 영역의 융합을 통한 연구가 필요하다. 인공광합성은 미국 JCAP(인공광합성공동연구센터), 일본 문부과학성, 독일 막스플랑크연구소,등을 선두로하여 우리나라도 KCAP(한국인공광합성연구센터)에서 많은 연구를 이어가고 있다. 현재는 인공광합성 기술이 주요 선진국들을 중심으로 초기 연구단계에 머물러 있지만, 미래 연금술사와 같이 녹색식물의 자연 광합성을 모방하여 무한한 유기 연료를 생산해낼 인공광합성의 향후 발전가능성은 충분히 기대해 볼 만 하다.

참고 개념> 

(*) 암반응 (dark reaction)

     : 캘빈회로에서 명반응으로 만들어진 ATP, NADPH를 사용하여 CO2가 포도당(유기물)과 물, NADP로 환원된다.

(**) 광계 photosystem

: 첫 번째 단계는 680nm대의 파장을 흡수하는 광계 2의 반응이다. 빛을 받은 광계 2의 엽록소는 물을 분해하여 수소 이온과 산소, 전자를 만들어내고, 여기서 발생한 들뜬 상태(여기상태)의 전자 일부를 일련의 효소 반응을 통해 광계 1로 보낸다. 광계 1은 빛을 받아 광계 2에서 받은 전자와 자신이 보유하고 있던 전자를 NADP에 수소를 결합시키는 데 사용한다. 인공광합성은 전자의 이동 경로에 따라 광계 1이나 2, 또는 명반응 전체를 모방한다.

참고자료>

http://www.khugnews.co.kr/wp/?p=4556

http://web.stanford.edu/group/mota/education/Physics%2087N%20Final%20Projects/Group%20Gamma/photo.htm

http://www.wallstreetdaily.com/2016/02/10/artificial-photosynthesis-energy/

http://phys.org/news/2016-09-artificial-photosynthesis-photoelectrochemical.html

http://www.solarfuel.se/artificial_photosynthesis/

http://futureoflife.org/2016/09/30/artificial-photosynthesis

Natural and Artificial Photosynthesis : Solar Power as an Energy Source/Razeghifard,Reza/Wiley/September 2013

http://www.greenplatform.re.kr/frt/center/news/wzinFocus.do?pageMode=View&nttId=3913

이산화탄소 포집, 저장 및 전환기술,ccs교재편찬위원회,청문각,2014년,502~527

광합성 모방 이산화탄소 전환 및 화학소재 생산 연구동향,한국생명공학연구원 바이오화학연구센터, 성봉현 박사