인공광합성
[ artificial photosynthesis ]
빛 에너지를 이용하여 물과 이산화탄소를 탄수화물과 산소로 전환하는 광합성을 모방하는 화학공정으로서 생체모방학(biomimetics)의 한 분야이다. 빛 에너지를 연료 혹은 태양전지의 화학결합 에너지로 저장하는 모든 수단을 포함한다. 광합성의 빛 의존적 반응과 비의존적 반응을 수행하는 광촉매를 이용하여 물을 수소이온과 산소로 분해하거나 이산화탄소를 고정하는 분야로 나뉘어진다. 주 연구분야는 청정 에너지인 수소를 생산하는 분야와 이산화탄소로부터 일산화탄소, 개미산, 혹은 메탄올을 생산하는 분야이다. 광촉매는 광자를 빠르고 효율적으로 대량 흡수할 수 있어야 하며, 내구성과 호환성이 좋아야 한다.
목차
주요 연구 분야
인공광합성은 광합성 기구의 광계(photosystem)을 인공적으로 구현하고자 한다. 이상적인 인공광합성은 물을 산화시키는 촉매, 양성자를 수소로 환원시키는 촉매, 그리고 전체 반응에 필요한 에너지를 제공하는 광감각제(photosensitizer) 3가지로 구성된 조립체이어야 한다(triad assembly).1) 가장 간단한 디자인은 세 구성 요소가 나란히 배열되는 형태일 것이다. 즉, 가운데에 광감각제가 그리고 양 옆에 각각 물산화제와 수소환원제가 배치되는 형태이다. 여기서 광감각제는 빛 에너지에 의해서 산화되면서 전자를 수소 촉매에 전달한다. 환원된 수소 촉매는 양성자를 수소로 환원시킨다. 산화된 광감각제는 물 분해계로부터 전자를 받아 환원된다. 양 끝의 촉매가 산화와 환원된 상태를 전하 분리(charge separation)상태라고 한다.
물분해계, 빛 에너지 감지 광감각제, 그리고 수소생성의 세요소로 구성된 삼위일체형 인공광합성기구 (출처:한국식물학회)
물 분해 촉매
산소 발생형 광합성 기구에서는 물 분해계가 망간과 칼슘 클러스터를 이용하여 물을 분해하여 양성자와 전자를 방출한다.
- @@NAMATH_INLINE@@\mathrm{2H_2O \longrightarrow O_2 + 4H^+ + 4e}@@NAMATH_INLINE@@
이 반응은 흡열반응으로서 촉매가 없을 시 최소한 2,500K의 고온이 필요하다. 물 분해계는 4개의 망간 이온과 1개의 칼슘 이온으로 구성된 클러스터이므로 이를 모방하여 쿠반형 클러스터 Mn4O4가 제작되었다. 광감각제와 물분해 촉매 기능을 동시에 갖는 루테늄 복합체인 블루다이머(blue dimer)가 합성된 바 있다. 금속산화물인 산화루테눔(RuO2), 산화 이리디움(IrO2), 산화코발트(Co3O4), 산화망간(MnO2, Mn2O3)등이 물 분해를 촉매하는 것으로 알려졌다. 코발트나 망간은 비교적 구하기 쉽다는 점에서 장점이 있지만 전자전달 속도가 느리고 전환효율이 낮다는 단점이 있다. 금속 이온을 유기 리간드와 결합시킨 배위중합체(metal-organic frameworks, MOFs)는 3차원과 같은 공간구조를 만들 수 있고 다공성이라는 점에서 물분해 촉매로 관심을 받고 있다.
광감각제
엽록소와 같이 광대역 빛을 흡수할 수 있는 광감각제로서 루테늄 폴리피리딘(ruthenium polypyridine)이 수소생산을 위해서 많이 사용되었다. 루테늄 대신에 플라티늄, 로디움, 이리디움이 사용되기도 한다. 금속이 없는 유기화합물도 많이 사용된다. 예를들어 에오신 와이(eosine Y)나 로즈벵갈(rose bengal)이 이에 해당한다. 피롤링은 나노물질이나 반도체를 코팅하는데 사용되기도 한다. 광합성의 광수확색소 기능을 모방하기 위해서 제오라이트 엘(zeolite L)이 제안된 바 있다.
수소 촉매
수소 가스는 합성하기에 가장 간단한 태양 연료로서 두 개의 전자가 두 개의 양성자에 전달되기만 하면 되는데, 히드라이드(hydride) 음이온이 중간단계물질로 생산된다.
- @@NAMATH_INLINE@@\mathrm{2e + 2H^{+} \longleftrightarrow H^{+} + H^{-} \longleftrightarrow H_2 }@@NAMATH_INLINE@@
양성자를 수소로 전환하는 촉매로 생물권에서 발견되는 수소화효소(hydrogenase)가 있다. 이 효소는 수소가스를 생산할 수도 있고 역으로 산화시킬 수도 있는 가역적인 반응을 촉매한다. 수소화효소에는 니켈-철이나 철-철을 활성화부위에 조효소로 갖는 2종류가 알려져있다. 여기에 힌트를 얻어서 이들을 모방한 합성 수소화효소가 만들어진 바 있다.
참고문헌
1. Andreiadis ES, Chavarot-Kerlidou M, Fontecave M 등 (2011) Artificial photosynthesis: from molecular catalysts for light-driven water splitting to photoelectrochemical cells. Photchem Photobiol, 87: 946-964