인공광합성을 이용하여 이산화탄소를 줄이다

새로운 탈 탄소화 기술, 인공광합성

태양광과 이산화탄소를 이용하여 화학제품 제조

촉매를 이용하여 실현

[객원 에디터 4기 / 김민주 기자] 오늘날 우리는 환경문제를 해결하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 화석 연료를 사용하면서 인류는 물질적인 풍요로움을 누릴 수 있게 되었지만, 대기오염을 비롯해 전 세계적으로 심각한 기후변화를 겪고 있다. 이는 화석 연료 에너지를 생산하는 과정에서 부가적으로 발생하게 되는 온실가스, 즉 이산화탄소 때문인데, 이러한 화석 연료 에너지를 대체하기 위하여 이산화탄소를 발생시키지 않는 신 대체에너지를 개발하려는 운동이 지속되고 있다. 

대체에너지는 태양에너지, 수력 에너지, 풍력 에너지 등 그 종류가 다양한데, 그중 태양에너지를 이용하여 친환경적으로 자원을 얻어낼 수 있는 기술인 인공 광합성은 탈탄소 시대를 맞이하여 주목받고 있는 신기술 중 하나이다.

그렇다면 인공 광합성은 정확히 무엇일까? 

인공광합성을 알아보기 전에 먼저 식물의 광합성에 대해서 자세히 알아야 할 필요가 있다. 식물의 광합성이란 녹색 식물이 빛 에너지를 써서 행하는 탄소 동화 작용이다. 탄소 동화 작용이란 이산화탄소와 같은 간단한 분자로부터 녹말과 같은 복잡한 고분자 화합물을 합성하는 작용을 말한다. 한편, 인공 광합성은 식물의 광합성처럼 태양광의 에너지원으로 삼아, 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올, 에탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술을 뜻한다. 이는 식물의 광합성에서도 이루어지는 명반응과 암반응의 두 단계로 이루어진다. 

식물 광합성에서의 명반응은 식물이 태양의 빛 에너지를 흡수해서 NADH, ATP 등의 화학 에너지를 생산하는 과정을 뜻하고, 인공 광합성에서의 명반응은 빛의 에너지에 의해 물이 분해되고 산소 분자가 생성되며, 전자와 수소 이온이 방출되는 과정을 뜻한다. 또한 식물의 암반응은 이산화탄소와 다른 화합물을 글루코스로 전환시키는 화학적인 반응이며, 인공적인 암반응에서는 수소 분자가 생기거나 이산화탄소, 산소, 질소, 등도 반응을 시켜 다양한 화학 물질이 제조된다. 자동차 연료로 사용될 수 있는 메탄올, 연료전지나 고무제품의 원료로 사용될 수 있는 포름산도 생산할 수 있다. 또한 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 얻어낼 수 있다는 점에서 인공광합성이 주목받기도 한다.

이러한 인공 광합성은 그럼 어떠한 방식으로 개발이 이루어지고 있을까? 

물에 그저 태양광을 닿게 한다고 해서, 물이 분해되어 산소나 수소의 거품이 발생하는 일은 없다. 안정된 물 분자를 분해하려면 반응을 촉진시키는 촉매가 필요하다. 자연계의 광합성에서는 엽록소나 효소 등이 촉매의 역할을 한다. 자연계의 광합성에서는 엽록소나 효소 등이 촉매의 역할을 한다. 

인공 광합성을 하기 위한 열쇠가 되는 재료는 빛을 흡수해 반응을 일으키는 광촉매이다. 그 재료는 크게 반도체 계열과 금속 착물 계열의 둘로 나누어진다. 반도체 계열의 것은 물에 녹지 않은 고체이며 분말 형태로 되어 있다. 그대로 물에 뿌려서 분말로 사용하는 방법 외에, 분말을 전도성 기판에 바른 광전극으로 쓰는 방법도 있다. 명반응 물 분해는 반도체 계열 광촉매의 개발이 진전되고 있고, 물의 완전 분해도 달성되었다. 한편 암반응의 이산화탄소 고정에서는 금속 착물 계열에서 성공이 보고되었다.

인공광합성은 화석연료를 사용하지 않아서 온실가스의 배출이 없는 친환경적인 기술이며, 태양에너지와 물, 그리고 이산화탄소만으로 이루어질 수 있다는 점에서 과학자들 사이에서 크게 각광받고 있다. 또한 우리에게 필요한 에너지는 생산하면서 이산화탄소를 줄일 수 있기에 효과적인 기술이라고 할 수 있다. 

하지만 인공광합성은 현재의 경제력과 기술력으로는 상용화가 쉽게 이루어지지 않을 것이다. 인공광합성이 상용화되기 위해서는 효율이 10%를 넘어야 하지만, 현재는 최대 8% 효율을 보이고 있기에 과학자들은 효율을 더욱 극대화하기 위한 연구를 하고 있다. 

신재생 에너지인 태양 에너지를 활용하기도 하며 공장에서 배출되는 CO2를 흡수하여 원료로 사용하기에 인공광합성은 화석 연료를 사용하는 경우와 비교하여 화학 제품의 제조 과정에서 상당한 양의 CO2 배출량 절감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.