태양과 물에서 연료를 합성하는 ‘인공 잎’ 등장

英캠브리지대, 이산화탄소 배출 없이 저비용으로 합성가스 생산하는 ‘인공 잎’ 개발

태양과 물에서 연료로 사용이 가능한 가스를 합성하는 ‘인공 잎 (artificial leaf)’이 개발돼 주목된다.

영국 캠브리지 대학(University of Cambridge) 연구팀이 발표한 이 논문은 물리학 및 재료과학 분야의 국제 학술지 ‘네이처 머트리얼즈(Nature Materials)’ 최신호에 게재됐다.

연구팀은 “이번에 개발된 인공 잎은 상대적으로 저렴한 코발트(cobalt)를 사용하기 때문에 낮은 비용으로 생산할 수 있고, 비가 오거나 흐린 날 등 태양광이 약할 때도 안정적인 연료 생산이 가능하다”고 밝혔다.

연구팀의 버질 안드레이 (Virgil Andrei) 박사는 식물이 태양광 광합성을 통해 물과 이산화탄소에서 에너지를 생산하는 구조에서 인공 잎의 영감을 얻었다. 그리고 오랜 연구 끝에 천연에 존재하는 광물인 코발트(cobalt)를 사용한 촉매와 페로브스카이트 (perovskite)·광전극(BiVO4)으로 만든 2종류의 흡광제를 결합, 빛·물·이산화탄소에서 가스연료를 생산하는 인공 잎 개발에 성공했다.

인공 잎을 탄산가스가 녹아 있는 물에 담갔다가 빛을 쬐면 한쪽의 흡광제와 촉매에서 산소가 발생한다. 동시에 다른 한쪽 흡광제가 이산화탄소와 물을 일산화탄소와 수소로 변환한다. 이 가스를 혼합하면 ‘합성가스(Syngas)’라는 연료를 만들 수 있다.

합성가스는 일산화탄소와 수소가 섞인 혼합가스다. 주로 산업 분야에서 비료·플라스틱·의약품 제조 등에 널리 사용되고 있으며, 1970년까지 도시 가스로 사용되기도 했다.

7년 이상 합성가스 연구에 매진한 안드레이 박사는 “현재 합성가스는 이산화탄소를 발생시키는 산업 공정을 통해 생산된다. 인공 잎을 사용하면 탄소중립(Carbon Neutral) 합성가스를 생산 할 수 있다”며 이산화탄소 배출 없이 태양광만으로 합성가스를 만들 수 있는 인공 잎의 강점을 강조했다.

지금까지 물을 통해 연료를 합성하는 인공 잎은 개발됐지만, 단독 연료 합성이 아닌 박테리아의 힘을 빌리는 형태였다. 또 기존 인공 잎은 촉매로 은이나 백금을 사용해 높은 비용도 문제로 지적됐다.

안드레이 박사 연구팀이 개발한 인공 잎은 상대적으로 저렴한 코발트를 촉매로 사용해 그만큼 비용을 줄일 수 있다. 또 코발트는 기존 촉매에 비해 연료 합성 능력이 높아 약간의 에너지로도 연료를 합성할 수 있고, 시간과 기상 조건에 관계없이 언제 어디서나 연료를 만들수 있다.

연구팀은 “풍력과 태양광 등 신재생 에너지는 2019년 현재 세계 총 에너지 수요의 약 25%에 불과하다”고 지적하며, “앞으로 화석연료를 대신해 발전과 운송에 사용할 수 있는 에너지원이 지구온난화 문제의 열쇠가 될 것”이라는 견해를 밝혔다.

연구팀은 휘발유(gasoline)를 대체할 수 있는 액체 합성가스 연료와 에탄올 생산이 가능한 인공 잎의 개발을 목표로 추가 연구를 진행할 예정이다.