화학자들, 기존 시스템보다 10배 더 효율적인 '인공 광합성' 시스템 개발

루이스 러너

2022년 11월 10일

지난 2세기 동안 인간은 집중된 에너지를 얻기 위해 화석 연료에 의존해 왔습니다. 수억 년의 광합성이 편리하고 에너지 밀도가 높은 물질에 담겨 있습니다. 그러나 그 공급은 유한하며 화석 연료 소비는 지구의 기후에 엄청난 부정적인 영향을 미칩니다.

시카고 대학의 화학자 Wenbin Lin은 "많은 사람들이 깨닫지 못하는 가장 큰 문제는 자연조차도 우리가 사용하는 에너지의 양에 대한 해결책이 없다는 것입니다."라고 말했습니다. 심지어 광합성도 그렇게 좋지는 않습니다. 그는 "우리는 자연보다 더 잘해야 할 것인데 그게 무섭습니다."라고 말했습니다.

과학자들이 탐구하고 있는 가능한 옵션 중 하나는 "인공 광합성"입니다. 즉, 식물의 시스템을 재작업하여 우리 자신의 종류의 연료를 만드는 것입니다. 그러나 잎사귀 하나에 들어있는 화학장비는 엄청나게 복잡해서 우리의 목적에 맞게 전환하기가 그리 쉽지 않습니다.

시카고 대학의 화학자 6명의 자연 촉매 연구는 이전 인공 시스템보다 훨씬 더 생산적인 인공 광합성을 위한 혁신적인 새로운 시스템을 보여줍니다. 이산화탄소와 물에서 탄수화물을 생성하는 일반 광합성과 달리 인공 광합성은 에탄올, 메탄 또는 기타 연료를 생성할 수 있습니다.

매일 자동차에 연료를 공급하는 방법이 되기까지는 갈 길이 멀지만, 이 방법은 과학자들에게 탐구할 새로운 방향을 제시하며 단기적으로는 다른 화학 물질 생산에 유용할 수 있습니다.

"이것은 기존 시스템에 대한 엄청난 개선이지만 마찬가지로 중요한 것은 이 인공 시스템이 분자 수준에서 어떻게 작동하는지에 대한 매우 명확한 이해를 제시할 수 있다는 것입니다. 이는 이전에는 달성되지 않았습니다."라고 Lin은 말했습니다. James Franck 시카고 대학교 화학 교수이자 이번 연구의 수석 저자입니다.

"자연적인 광합성이 없었다면 우리는 여기에 없었을 것입니다. 그것은 우리가 지구상에서 숨쉬는 산소를 만들고 우리가 먹는 음식을 만듭니다"라고 Lin은 말했습니다. "그러나 우리가 자동차를 운전하는 데 필요한 연료를 공급할 만큼 효율적이지는 않기 때문에 다른 것이 필요할 것입니다."

문제는 광합성이 우리에게 연료를 공급하는 데는 좋은 탄수화물을 생성하기 위해 만들어졌지만 훨씬 더 집중된 에너지가 필요한 자동차에는 그렇지 않다는 것입니다. 따라서 화석 연료의 대체품을 만들려는 연구자들은 에탄올이나 메탄과 같이 에너지 밀도가 더 높은 연료를 만들기 위해 프로세스를 재설계해야 합니다.

자연에서 광합성은 단백질과 색소의 매우 복잡한 여러 집합체에 의해 수행됩니다. 그들은 물과 이산화탄소를 흡수하여 분자를 분해하고 원자를 재배열하여 수소-산소-탄소 화합물의 긴 사슬인 탄수화물을 만듭니다. 그러나 과학자들은 메탄이라고도 알려진 수분이 많은 탄소 코어 CH4를 둘러싼 수소만으로 다른 배열을 생성하기 위해 반응을 재작업해야 합니다.

이 리엔지니어링은 생각보다 훨씬 까다롭습니다. 사람들은 자연의 효율성에 더 가까이 다가가려고 수십 년 동안 고민해 왔습니다.

Lin과 그의 연구실 팀은 현재까지 인공 광합성 시스템에 포함되지 않은 아미노산, 즉 아미노산을 추가하려고 시도할 수 있다고 생각했습니다.

연구팀은 유기 연결 분자에 의해 결합된 금속 이온으로 구성된 화합물 종류인 MOF(금속-유기 골격)이라는 재료 유형으로 시작했습니다. 그런 다음 그들은 화학 반응을 위한 최대 표면적을 제공하기 위해 MOF를 단일 층으로 설계하고 전자를 운반하기 위한 코발트 화합물이 포함된 용액에 모든 것을 담갔습니다. 마지막으로 그들은 MOF에 아미노산을 추가하고 어떤 것이 가장 효과가 좋은지 알아보기 위해 실험을 했습니다.

그들은 반응의 두 부분, 즉 물을 분해하는 과정과 전자와 양성자를 이산화탄소에 추가하는 과정을 모두 개선할 수 있었습니다. 두 경우 모두 아미노산은 반응이 보다 효율적으로 진행되도록 도왔습니다.