국내 연구진, 전복껍데기 형상 모방해 인공광합성 효율 향상 성공

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 전복껍데기의 진주층(nacre)을 모방해 인공광합성 소자를 제조하는 기술을 개발했다. 류정기 교수(UNIST)와 김병수 교수(연세대) 공동연구팀이 산화그래핀과 분자촉매를 정교하게 조립해 인공 진주층을 만들고 이를 통해 인공광합성의 효율을 대폭 향상시켰다고 한국연구재단은 29일 밝혔다.

전복껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. (A) 무지재 빛깔의 전복껍데기 진주층(nacre) 사진. (B) 전자현미경으로 관찰한 진주층의 미세구조 : 탄산칼슘과 유기물 접착층의 층상구조를 확인할 수 있다. (C) 광전극 표면에 산화그래핀과 분자촉매를 진주층처럼 구성한 모식도 : 빛을 흡수한 반도체 광전극은 전자 및 정공을 생성하고 이때 진주층 내의 산화그래핀을 통해 정공이 매우 효율적으로 물분해 분자촉매에 전달됨으로써 물분해반응 효율이 크게 향상된다. (D-E) 산화그래핀/분자촉매 진주층의 초미세 구조 : 투과전자현미경을 이용해 산화그래핀/분자 촉매 층상구조를 확인할 수 있다. 그림 E의 층상구조에서 흰 부분은 산화 그래핀 층을, 검은 부분은 촉매 층을 가리킨다. 그래픽=한국연구재단.

인공광합성은 식물이나 조류의 광합성처럼 태양에너지를 이용해 유용한 화학물질을 생산하는 친환경 기술이다. 하지만 효율적 인공광합성을 위해서는 백금·이리듐 등 희귀금속 또는 전이금속 촉매가 필수적인데 기존에 연구된 촉매는 제조비용 및 효율성에 제약이 있어 실용화가 어려웠다.

연구팀은 금속을 극소량만 사용하면서도 촉매 활성이 높은 분자 형태의 촉매에 주목했다. 특히 분자촉매를 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 고정하기 위해 전복껍데기 진주층 구조를 모사했고 전극의 효율도 2.5배 가량 크게 증대시켰다.

전복껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조이다. 이때 키틴과 같은 유기물이 접착제 역할을 해 판상의 탄산칼슘을 고정시키고 전복껍데기의 강도를 향상시킨다.

이런 구조에 착안해 연구팀은 분자촉매와 유기물을 전극 표면에 층상으로 쌓았다. 이때 활용된 유기물은 산화그래핀으로 분자촉매와의 정전기적 인력을 통해 전극표면에 순차적으로 쌓일 수 있다. 특히 산화그래핀은 접착제 역할 뿐만 아니라 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달해준다는 것도 확인됐다.

류정기 교수는 “이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해 쉽고 간편하게 설계·개발한 것”이라며 “향후 저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구), 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 국제 저명학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 1월 22일 표지논문으로 게재됐다.