인공 광합성을 하는 솔라 리프(solar leaf)

식물의 세포가 광합성을 하여 탄수화물을 생산하듯이, 인공 잎을 만들어 알코올과 같은 액체 연료를 생산하는 실험이 성공하고 있다.​

온실가스(이산화탄소)를 줄이는 이상적인 방법은 지구상에 사는 식물이 광합성을 더 많이 하도록 숲을 확장하거나 모든 식물이 더 무성하게 자랄 수 있도록 하는 것이다. 그러나 이런 일은 실천이 어렵고 장기간이 걸린다. 온실가스가 증가한 원인은 화석연료를 많이 사용한 탓이다. 그러므로 화석연료를 대신할 액체 연료를 인공의 잎(태양잎)에서 생산한다면 지구의 재앙을 막을 수 있을 것이다.​

식물의 잎에서 일어나는 광합성 과정에서 특별히 중요한 화학변화는 잎의 기공(氣孔 숨구멍)으로 들어간 이산화탄소(CO2)가 쪼개져 C와 O2로 분해되는 것이다. 식물이 광합성을 많이 할수록 이산화탄소 또한 많이 감소할 것이고, 온실가스 문제는 자연히 해결될 것이다. 최근 과학자들은 광합성과 닮은 화학반응을 일으켜 액체연료를 생산하는 인공 태양잎(solar leaf)을 개발하는 데 성공하기 시작했다.​

인공 태양잎 연구의 시작

영국 캠브리지 대학의 라하만(Motiar Rahaman)을 비롯한 태양잎 연구자들은 CO2와 H2O로부터 연료가 될 수 있는 에탄올(CH3CH2OH)과 프로판올(CH3CH2CH2OH)을 생산하는 방법을 연구하고 있다. 이런 알코올 성분의 물질을 알코올 연료라 부른다. 라하만은 “알코올 연료를 연소시키면 H2O와 O2만 발생하고 온실가스가 될 CO2는 나오지 않는다.”고 연구 내용을 설명한다.​

라하만 팀이 개발하는 태양잎 시스템은 특수한 태양전지를 이용한다. 페로브스카이트(perovskite CaTiO3)라는 물질로 만든 태양전지(태양잎)는 H2O와 CO2를 결합하여 알콜 연료를 합성한다. 이 과정에는 구리와 팔라듐 그리고 비스무드 바나데이트(bismuth vanadate, BiVO4)를 촉매로 사용한다. 즉 태양 에너지를 받은 비스무드 바나데이트는 H2O를 H2와 O로 분리하고, 물에 녹아 있는 CO2를 C와 O2로 분리하여, 이들 분자 사이에 결합이 일어나 알콜 연료가 생겨나도록 하는 것이다. 라하만 팀은 이러한 방법을 2023년 5월 18일에 나온 <Nature Energy>에 발표했다.

Journal: M. Rahaman et al. Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite–BiVO4 artificial leaf. Nature Energy. Vol. 8, June 2023,

라하만 팀이 개발한 태양잎의 모습이다. 이산화탄소가 가득한 물에 이것을 넣으면, 물 분자와 이산화탄소 분자를 분해하여 액체연료로 사용할 알콜을 합성한다.​

박테리아를 이용한 액체 연료 생산

석유는 광합성을 하는 고대의 하등식물이 대규모로 퇴적되 형성된 것이다. 당시의 하등식물처럼 어떤 미생물을 이용하여 액체 연료를 생산할 수 없을까? 캘리포니아 공과대학의 생화학자 양(Peidong Yang)은 라하만 팀과 달리, 박테리아를 이용하여 H2O를 분해하고, 이것이 CO2와 결합하여 아세테이트(acetate)를 합성하도록 하는 데 성공했다. C2H3O2 또는 CH3COO로 나타내는 아세테이트는 쉽게 액체연료로 변화시킬 수 있는 화합물이다. 그의 연구 결과는 2021년 7월에 <Nano Letters>에 실렸다.

Journal: P. Yang. Liquid sunlight: The evolution of photosynthetic biohybrids. Nano Letters. Vol. 21, July 2, 2021,​

생물 연료를 생산하는 미생물 시와넬라

신시내티 대학의 여성 미생물학자 로위(Annette Rowe)는 2021년 8월에 발행된 학술지 <Communications Biology>에서 태양 에너지를 받아 전기를 생산하는 시와넬라(Shewanella oneidensis)라는 박테리아의 특별한 생리를 발표했다. 이 논문에서 시와넬라는 세계 어디에서나 발견되는 이 세균이 주변의 금속으로부터 전자를 끌어들여 알콜과 같은 연료를 생산한다는 사실을 확인했다. 로위는 시와넬라 세균이 만드는 연료를 생물연료(biofuel)라 불렀다.​

생물연료란 연소가 가능한 식물의 기름, 동물의 기름, 옥수수나 사탕수수를 발효시켜 만든 알코 종류 모두를 포함한다. 그래서 과학자들은 시와넬라 세균도 인공광합성에 이용할 수 있는 생명체라고 생각한다.

시와넬라는 연료로 사용할 수 있는 물질(생물연료)을 세포 내에서 생산하는 능력이 있다.

​Journal:​ A.R. Rowe et al. Identification of a pathway for electron uptake in Shewanella oneidensis. Communications Biology. Vol. 4, August 11, 2021. doi: 10.1038/s42003-021-02454-x.​

오늘의 인류는 고갈되어 가는 화석연료와 기후변화라는 두 가지 위기를 맞았다. 두 난관을 동시에 해결해줄 방안은 인공광합성 기술의 발전이다. 인공광합성의 전단계 기술이라고 생각되는 ‘인공 태양잎’에 대한 연구가 시작되었다. 인공 태양잎에서 액체연료를 생산하려는 연구가 실험실의 시험관에서 대량생산 시스템까지 발전시켜야 하는 장도에 오른 것이다. – YS