식물이 광합성으로 에너지를 얻는 것처럼, 태양광을 에너지원으로 삼아, 물이나 이산화탄소로부터 연료나 공업용 소재가 되는 '화학 물질'을 합성하는 것이 '인공 광합성(Artificial Photosynthesis)'이다. 인공 광합성으로 만들어지는 물질은 '태양광 연료(Solar Fuel)'라고 부른다. 인공 광합성은 화석 연료에 의존하지 않고, 이산화탄소를 줄이는 효과도 있어, 에너지 문제를 해결하는 '꿈의 기술'로 오랫동안 크게 주목받아 왔다. 세계 각국은 '인공 광합성' 기술의 실용화를 위해 연구 개발에 본격적으로 나서고 있다.
0. 목차
- 인공 광합성 프로젝트
- 태양 에너지를 활용한다.
- 인공 광합성으로 생기는 물질
- 청정 연료로 기대
- 다른 에너지와의 비교
- 광촉매(Photocatalyst)
- 인공 광합성 연구 동향
- 물의 '전기 분해'를 이길 수 있는가?
1. 인공 광합성 프로젝트
'인공 광합성(Artificial Photosynthesis)'이란 말은 오래된 말이기도 하고, 새로운 말이기도 하다. 1973년 이후 석유 위기를 맞아, 한때 인공 광합성의 연구 붐이 일어났었다. 하지만 석유의 가격이 다시 내려가자 그와 더불어 연구자들도 줄어들고, 한동안 '인공 광합성(Artificial Photosynthesis)'이란 말을 거의 쓰지 않게 되었다. 그러다가 2010년대에 들어와 '인공 광합성'은 다시 폭발적인 붐을 이루기 시작했다.
2010년, 미국의 에너지부는 'HELIOS', 'CCI Solar'라는 두 프로젝트를 전신으로 하는 초대형 인공 광합성 프로젝트 'Joint Center for Artificial Photosynthesis(JCAP)'를 개시했다. 이 프로젝트에는 5년간 1억 2200만 달러를 투입되었다. JCAP 외에도 유럽, 한국, 일본, 중국에서도 대형 프로젝트가 시작되었다.
2. 태양 에너지를 활용한다.
현재 인간은 석유나 천연가스 등의 화석 연료를 대량으로 소비하고 있다. 그런데 사실 화석 연료의 근본은 오랜 세월에 걸쳐 광합성으로 태양광 에너지를 화학적으로 '저축'한 것이다. 우리는 수 억 년 이상 동안 저장한 태양광 에너지를 고작 수백 년 만에 소비하고 있는 것이다. 현재 우리가 화석 연료를 사용하는 속도는 50년 걸려 저축한 것을 단 몇 분 동안에 소비하는 것과 비슷하다. 이번 세기에는 문제가 없겠지만, 화석연료는 고갈되는 자원인 것은 확실하다.
한편, 태양광 에너지는 1시간 동안 지구에 쏟아지는 양이 인류가 1년 동안 소비하는 에너지의 총량의 1년분에 해당한다고 한다. 태양광 에너지의 변환 효율이 10%인 경우, '70만 km2의 면적(한반도의 3배 정도 되는 면적)'에 설치하면, 인류 전체의 에너지 소비를 담당할 수 있다는 계산이 나온다. 단, 태양광 에너지는 밀도가 낮고 기후에 좌우되기 쉽다는 결점이 있어서, 태양광 에너지는 최대한 면적을 넓혀야 한다.
태양광 에너지를 이용한 기술에는 '태양광 발전(Solar Energy Generation)', '태양열 발전(Solar Power Generation)', '바이오매스 에너지(Biomass Energy)'가 있다. 이들은 실용화 단계에 있지만, 아직 '화석 연료'나 '원자력 에너지'의 대체 수단이 될 수 있는 단계에 도달하지는 못했다. 그래서 이들에 이어 '제4의 태양광 에너지 활용 기술'로 육성하려는 것이 '인공 광합성(Artificial Photosynthesis)'이다.
3. 인공 광합성으로 생기는 물질
인공 광합성으로 생기는 물질은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 물의 분해로 만들어지는 '수소(H2)', 하나는 물(H₂O) 이외의 물질을 써서 만들어지는 물질, '예컨대 이산화탄소(CO₂)'를 써서 만드는 '메탄올(CH₃OH)' 등의 탄수화물이다. 일반적으로 광합성이라고 하면, 식물이 '태양광 에너지', '물', '이산화탄소'로부터 '산소'와 당질과 녹말같은 '탄수화물'을 만드는 반응이라는 일반적인 이미지일 것이다. 그런데, 수소와 메탄올 등을 만드는 것을 만드는 일을 '광합성(Photosynthesis)'이라고 부르는 것에는 무슨 의미가 있을까?
3-1. 식물의 광합성
자연계의 광합성은 많은 화학 반응이 복잡하게 얽혀 진행되지만, 광합성의 과정은 크게 2단계로 나눌 수 있다. 전반은 빛의 에너지를 써서 물 분자를 분해하는 '명반응(Light Reaction)', 후반은 물 분해로 얻은 화학 에너지를 써서 이산화탄소로부터 탄화수소를 만드는 '암반응(Dark Reaction)'이다. 명반응과 암반응은 빛을 쓰는 반응인지 아닌지를 나타낸다. 인공 광합성의 반응도 이와 마찬가지로 두 단계로 나누어진다. 이들 반응을 공업화하는 것이 '인공 광합성'이다.
태양광 이용의 관점에서 보면, '명반응의 물 분해 반응'이 '광합성의 본질'이라고 할 수 있다. 명반응은 흡수한 '빛의 에너지(Light Energy)'를 '화학 에너지(Chemical Energy)'로 변환해 축적하는 반응인데, 후반의 암반응은 명반응으로 축적된 화학 에너지를 일부를 써서 일어나는 반응이기 때문이다.
3-1-1. '식물 광합성'의 메커니즘
- 명반응: 2H2O → 4H+ + 4e- + O2+
- 암반응: 24H+ + 24e- + 6CO2 → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O
자연계의 광합성의 메커니즘은 실제로는 훨씬 더 복잡하지만 여기서는 간략하게 설명한다. '명반응'에서는 빛의 에너지에 의해 물이 분해되고, 산소 분자가 생성되며, 전자와 수소 이온이 방출된다. '암반응'에서는 전자와 수소 이온에, 대기 중에서 포착한 '이산화탄소(CO₂)'를 결합시켜 저장할 수 에너지원인 '포도당(C₆H₁₂O₆)'을 만든다.
3-2. 인공 광합성
인공 광합성에서는 전반의 물 분해를 한 다음 '수소(H2)'를 꺼내 이용할 수도 있다. 또는 물 분해 후 다시 이산화탄소와 반응시켜 '메탄올(CH₃OH)'이나 '폼산(formic acid)' 등의 액체 연료 등을 만들어 낼 수도 있다. 또 물을 산소와 반응시켜 '과산화수소(H₂O₂)'로 바꾸거나, 질소와 반응시켜 '암모니아(NH₃)'를 만드는 등 다양하게 응용할 수 있다. 이처럼 '인공 광합성'은 '태양광 에너지'를 '화학 에너지'로 바꾼다는 점에서 자연계의 광합성과 공통된 부분이 있지만, 생물보다 자유롭게 다양한 방법으로 태양광 에너지를 이용할 수 있다.
3-2-1. '인공 광합성'의 메커니즘
- 명반응: 2H2O → 4H+ + 4e- + O2+
- 암반응: 24H+ + 24e- + CO2), N2), O2) 등 → '수소(H2)', '과산화수소(HOOH)', '폼산(HCOOH, 개미산)', '암모니아(NH3))' 등
'명반응'에서는 빛의 에너지에 의해 '물(H2O)'이 분해되고, '산소 분자(O2)'가 생성되며, '전자(electron)'와 '수소 이온(H+)'이 방출된다. (기본적으로 '식물의 광합성'과 같다.) 이후 '암반응'에서는 촉매의 종류와 '이산화탄소(CO2), '질소(N2)', '산소(O2)' 등 가하는 물질에 따라 다양한 화학 물질이 제조된다. 인공 광합성을 통해 '수소(H2)', '과산화수소(HOOH), '폼산(HCOOH)', '메탄올(CH3OH)', '암모니아(NH3)' 등의 제조가 가능하다.
4. 청정 연료로 기대
명반응의 생성물인 수소를 태우면 에너지를 꺼낼 수 있다. 이때 물 이외에는 배출하지 않기 때문에, 수소는 '청정 연료'라고 불린다. 다만, 수소는 기체이고 폭발하기 쉬워서, 저장이나 운반이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 암반응까지 해서 만들어진 액체 '폼산(HCOOH)'은 수소로 다시 변환해 쓸 수도 있으므로, 수소의 저장 형태로 유망하다. 또 과산화수소는 '막'이 필요치 않은 새로운 연료 전지의 연료로 쓰일 수 있다고 기대된다. '수소 연료 전지'에서 '막'은 높은 비용의 원인이 되고 있다.
인공 광합성 암반응의 '이산화탄소를 다른 물질로 바꾸어 두는 일'에서는 반드시 이산화탄소가 줄어드는 건 아니다. 자연계의 광합성은 대기 중의 이산화탄소를 고정시키지만, 인공 광합성에서는 이산화탄소를 모아 이것을 반응 시키기 위해 에너지를 소비할 필요가 있기 때문이다. 즉, 이산화탄소의 배출로 이어질 수도 있다.
5. 다른 에너지와의 비교
5-1. '태양광 발전'과 비교
그러면 '태양광 발전(Solar Energy Generation)'과 '인공 광합성'은 무엇이 다를까? 태양광 발전은 높은 효율을 자랑하지만, 높은 비용이 약점이다. 더욱이 전기 에너지는 그대로는 저장되지 않아, '축전지(Storage Battery)'를 통해 화학 에너지로 변환해야 한다. 하지만 축전지는 비용이 높은 데다가 방전할 때까지 에너지의 손실이 있어, 장기 저장에는 적합하지 않다.
5-2. 바이오 연료와 비교
'바이오 연료(Biofuel)'는 인공 광합성과 마찬가지로 에너지가 저장되는 화학 물질이다. '바이오 연료'는 화석 연료를 제외한 생물에서 유래한 자원을 말한다. 바이오 연료에는 옥수수나 사탕수수 등의 당질을 알코올 발효를 통해 만드는 '바이오 에탄올(Bio-Ethanol)', 생물의 기름으로부터 만드는 '바이오디젤(Bio-diesel)', 음식물 쓰레기 같은 폐기물 등의 메탄 발효에서 생기는 '바이오가스(Bio-Gas)', 장작이나 숯 같은 '고체 연료(Solid Fuel)' 등이 있다.
이들은 기본적으로 광합성을 통해 만들어지는데 원래는 태양광 에너지를 변환시킨 것이다. 하지만 바이오 연료는 식품 가격이 오를 가능성이 있고, '저효율의 문제'도 있다. '저효율의 문제'는 광합성으로 만들어진 생물 자신이 살기 위해 소비하고, 사람은 그 나머지밖에 이용할 수 없기 때문이다. '바이오 연료'의 '태양광 에너지의 변환 효율'은 평균적으로 약 1%, 최대 약 3% 정도이다. 효율 개선을 위해서는 유전자 개량 작업이 필요하다.
5-3. 인공 광합성
생물의 광합성은 매우 정교하고 치밀한 메커니즘이다. 하지만 여전히 생물이 만들 수 있는 것밖에 얻지 못한다는 제약이 있다. 반면, 인공 광합성에서는 더욱 단순하고 효율적인 가장 적합한 시스템을 만드는 것이 가능하다. 생물의 '광합성(Photosynthesis)'과 '태양 전지(Solar Cell)'의 좋은 점만을 취하는 기술이 될 가능성이 있다고 생각된다.
6. 광촉매(Photocatalyst)
그저 '물(H2O)'과 태양광을 닿게 한다고, 물이 분해되어 '산소(O2)'나 '수소(H2)'의 거품이 발생하지는 않는다. 안정된 물 분자를 분해하려면, 반응을 촉진시키는 '촉매(Catalyst)'가 필요하다. 자연계의 광합성에서는 '엽록소(chlorophyll)'나 '효소(enzyme)' 등이 촉매의 역할을 하고 있다.
'인공 광합성'에서는 빛을 흡수해 반응을 일으키는 '광촉매(Photocatalyst)'가 있다. '광촉매'의 재료는 크게 '반도체 계열'과 '금속 착물 계열'로 나누어진다. '반도체 계열'의 것은 물에 녹지 않는 고체이며 분말 형태로 되어 있다. 그대로 물에 뿌려서 분말로 사용하는 방법 외에, 분말을 전도성 기판에 바른 '광전극(Optode)'으로 쓰는 방법도 있다. (자세한 것은 뒤에서 설명) '금속 착물 계열'은 금속 원자의 주위를 유기 화합물 등이 둘러싼 것인데, 실은 엽록소 등의 색소와 비슷하다.
6-1. 광촉매의 이용
일반적인 광촉매인 '이산화타이타늄(TiO2)'은 2가지 '셀프 클리닝 효과(Self-Cleaning Effect)'가 있는 기발한 물질이다. 이러한 효과 덕분에 '이산화타이타늄(TiO2)'은 생활 전반에서 다양한 용도로 이용되고 있다.
첫 번째 효과는 '광촉매 분해(Photocatalytic Decomposition)'이다. '이산화타이타늄'에 '빛(자외선)'을 비추면, 표면에 붙은 오물 등의 '유기물(탄소를 포함한 물질)'이 '물(H2O)'과 '이산화탄소(CO2)'로 분해된다. 오물 외에도 냄새의 근원, 세균, 세균이 내는 독소까지도 분해할 수 있다.
두 번째 효과는 '초친수성(Superhydrophilicity)'이다. '초친수성'은 '초소수성'과 반대되는 개념으론 친수성이 매우 커 물에 강하게 끌리는 현상을 의미한다. '이산화타이타늄'에 빛을 비추면 표면의 구조가 변해 물과 친해지기 쉬운 상태가 된다. 그 결과, 물이 이산화타이타늄과 오물 사이로 들어가, 붙어 있던 오물을 들어 올려 흐르게 한다. 또 물이 튀어도 이산화타이타늄 표면에 일정하게 퍼지고 물방울이 되지 않기 때문에, 유리에 사용하면 잘 흐려지지 않는 장점이 있다.
| - | 사용 예 |
| 병원 | 수술실 바닥과 벽에 사용하는 타일 |
| 고속철도 | 공기청정기 |
| 업무 빌딩 or 주택 | 유리창, 공기청정기, 화잘실, 외벽, 방의 벽지 |
| 공항 | 유리창 |
| 도로 | 커브 미러, 시선 유도표, 고속도로 투명판 |
| 자동차 | 사이드 미러 |
7. 인공 광합성 연구의 동향
명반응의 물 분해에서는 '반도체 계열 광촉매'의 개발이 진전되고 있으며, '물의 완전 분해'는 이미 달성되었다. 한편, 이산화탄소의 고정에서는 금속 착물 계열에서 성공이 보고되었다. 현재까지의 기술 도달 상황을 살펴보자.
'반도체 계열 광촉매'에 의한 물 분해 현상은 일본에서 발견되었다. 2016년 현재, '태양광 에너지 변환 효율(태양광 에너지 전체에 대한, 생성된 화학 물질 에너지의 비율)'의 최고치는 0.2%를 달성하였다. 일본 도쿄 이과대학의 '구도 아키히코' 교수와 도쿄 대학의 '도멘 가즈나리' 교수, 도쿄 대학의 '아베 류' 교수 등은 2종의 촉매를 조합하여, 가시광선으로 물 분해를 하였다. 또 '도멘 가즈나리' 교수는 1종의 광촉매로 가시광선 물 분해에도 세계 최초로 성공하였다. 실용화에 필요한 '태양광 에너지 변환 효율'은 10%라고 한다. 인공 광합성의 효율이 2~3%까지 향상되면, 연구에 참여하는 사람들이 늘어나면서 충분히 실용화에 도달할 가능성이 있다고 생각된다.
7-1. '태양광 에너지 변환 효율'을 높이기 위한 아이디어
실용화를 위해 더 효율을 올릴 수 있는 메커니즘 또한 고안되고 있다. 광촉매로 물을 분해해서 얻은 에너지를 일단 '철 이온'을 환원시킴으로써 저장한다. 그 '철 이온'의 힘을 써서 일반적인 경우보다 낮은 전압에 의한 전기 분해를 실현한다는, '광촉매'와 '전기 분해'의 '하이브리드형 시스템(Hybrid Type sSstem)'이다. 철 이온까지의 '태양광 에너지 변환 효율'은 0.35%인데, 육상 식물과 같은 정도가 되었다. 또 수소의 포집이 간단하고, 경제성과 실현 가능성을 겸비한 이상적인 시스템이라 생각된다.
7-2. 암반응에 쓸 수 있는 촉매
'이산화탄소의 고정' 등을 하는 '암반응'에 쓸 수 있는 '금속 착물 계열'의 촉매도 개발되고 있다. 상온 상압에서, 수소와 이산화탄소로부터 액체 '폼산(HCOOH)'을 만들거나, 다시 '폼산'에서 '수소(H2)'를 꺼내거나 할 수 있다. 폼산을 만들지 수소로 되돌릴지는, 반응 용액의 산성도로 결정할 수 있다.
8. 물의 '전기 분해'를 이길수 있는가?
그런데 태양광 에너지를 이용한 수소 제조는, 태양광 발전을 이용한 전기 분해에서도 된다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 물의 전기 분해 효율은 80%이다. 이것을 15% 변환 효율의 '태양 전지(Solar Cell)'로 실시하는 경우 '12%(0.8×0.15)'의 변환 효율로 수소가 제조된다. 인공 합성에 의한 수소 제조의 최대 장벽은 이들 물의 전기 분해 효율이나 비용을 이기지 못한다면, 실용화에 이르지 못한다는 점이다.
그래서 촉매 재료뿐만 아니라, 자연계의 광합성을 하나하나 분자 수준에서부터 모방하고, 그것을 복합화하는 방법으로 인공 광합성의 연구도 진행되고 있다. 이렇게 하나하나의 단계를 정확하게 재현하는 작업은 번거롭지만, 제대로 잘 통합이 된다면 높은 효율의 인공 광합성 시스템을 기대할 수 있을 것이다.
'광전극형 인공 광합성(Optode Type Artificial Photosynthesis)'은 서양을 중심으로 연구가 진행되고 있다. '광전극형 인공 광합성'은 외부 전압을 걸지 않고 빛을 비추어 물 분해를 할 수 있고, '태양 전지'로 물 분해를 할 때의 전극으로 사용할 수도 있다. 후자의 경우, 광전극이 전기 분해에 필요한 전압을 내리므로 '태양 전지'의 수를 줄일 수 있고, 단순한 태양 전지를 사용한 물 분해보다 비용이 적게 든다.