물과 햇빛·이산화탄소만 있으면 연료 만들어내는 인공광합성 원리는?

뉴스 속의 과학

한국화학연구원은 최근 인공광합성으로 공기 중의 이산화탄소를 메탄올로 바꿔주는 기술을 세계 최초로 개발했다. 인공광합성 연구는 1970년 미국 버클리대에서 처음 시작했지만 여러 가지 한계로 40년 넘게 실용화하지 못했다. 햇빛과 이산화탄소, 물에서 산소와 각종 탄소화합물을 만들어내는 인공광합성은 온실가스인 이산화탄소를 흡수하는 한편 수소 메탄올과 같은 연료를 만들어 낼 수 있어 세계적으로 주목받고 있다.

광합성의 원리는 간단하다. 어떤 물질이 다른 물질로 바뀌기 위해서는 전자를 주고받는 이온 반응이 필수다. 식물 역시 이산화탄소를 포도당으로 바꾸기 위해선 전자를 주고받아야 한다. 첫 과정은 잎에서 빛입자(광자)를 흡수하는 것이다. 광자를 흡수하는 대신 전자를 방출하면서 화학반응이 일어난다.

인공광합성은 엽록소 대신 인공 촉매를 이용해 비슷한 화학 반응을 이끌어낸다. 다만 포도당을 합성하는 것은 복잡하기 때문에 메탄올 등 단순한 탄소화합물을 합성하는 것부터 시작하고 있다.

인공광합성 실용화를 위해서는 효율을 높이는 것이 가장 큰 과제다. 일반적 식물의 광합성 효율은 4~6%다. 반면 인공광합성은 0.1%에 불과하다. 마지막에 만들어진 탄소화합물의 에너지가 햇빛 에너지의 1000분의 1 수준이라는 얘기다.

식물이 일단 받아들인 빛을 전기에너지로 바꾸는 효율은 95%를 넘는다. 태양광발전은 20~35% 수준이다. 2007년 네이처에 발표된 논문에 의하면 식물은 양자역학적 현상인 ‘양자 엇갈림’을 통해 높은 효율을 낸다. 흡수한 광자를 안테나 모양으로 배열된 엽록소의 한가운데인 ‘반응중심’에 효율적으로 보낼 수 있다는 뜻이다. 연탄을 사람들이 줄지어 차례대로 전달하는 게 아니라, 바로 목적지에 던질 수 있는 것과 같은 원리다.

임근호 기자 eigen@hankyung.com