이화여자대학교(총장 김은미) 화학·나노과학전공 박소정, 김진흥 교수 연구팀이 인공광합성으로 이산화탄소를 개미산으로 전환하는 새로운 2차원 나노구조의 촉매시스템 개발에 성공했다. 이산화탄소 전환 효율에서 세계 최고 기록을 보여주며 향후 온실가스 감축을 위한 광촉매시스템 개발에 중요한 토대를 제공할 것으로 기대되는 이번 연구 결과는 S급 국제학술지인 <ACS Catalysis> (IF=13.700)에 발표 됐다. 

지구온난화의 주범으로 지목받는 이산화탄소는 세계에서 연간 약 300억 톤 이상 배출되고 있다. 특히 우리나라의 경우 최근 10년간 이산화탄소 증가율이 매해 최고치를 경신하고 있어 심각한 문제로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 과학기술계에서는 자연 보존과 새로운 에너지원 확보를 위해 이산화탄소를 자원화하는 연구·개발을 추진하고 있으며, 특히 자연에서의 광합성과 같이 태양에너지를 사용하는 방법이 최적의 개발 방향으로 제시되고 있다. 

태양광에너지를 사용하여 이산화탄소를 전환하는 인공광합성용 촉매시스템의 개발은 전 세계적으로 가장 활발한 연구 분야 중 하나다. 그러나 기존의 연구는 조효소 재생촉매와 효소를 용액 내에 혼합하여 사용함으로 인해 반응 효율이 높지 않은 문제점을 안고 있어, 촉매와 효소를 효과적으로 고정화한 광촉매의 개발이 절실히 요구되어 왔다. 

자연광합성에서는 조효소를 재생하는 광반응과 이산화탄소를 전환하는 암반응이 잘 분리되어 있는데, 박소정, 김진흥 교수팀은 조효소를 재생하는 금속광촉매와 이산화탄소를 개미산으로 전환하는 효소를 2차원의 나노물질에 효율적으로 분리 배치함으로써 이산화탄소 전환율에 대한 기존 연구의 한계를 보완할 수 있었다. DNA 나노소재 연구를 진행해온 박소정 교수와 다양한 금속을 이용한 이산화탄소 전환 광촉매 연구를 진행해온 김진흥 교수의 공동연구를 통해, DNA 나노시트를 활용한 새로운 광촉매 시스템 개발에 성공한 것이다. 연구진은 가시광선을 조사(irradiation)해 실내 온도와 대기압 상태에서 이산화탄소를 고효율로 전환하는 데 성공했고, 조효소에 대한 이산화탄소 전환율에서 세계 최고 기록을 달성했다. 

이번 광촉매시스템 개발은 태양광에너지를 활용해 이산화탄소를 유용한 탄소 자원으로 고효율 변환할 수 있는 가능성을 보여 주었으며, 이는 향후 온실가스 감축을 위한 인공광합성용 광촉매시스템 개발 연구에 중요한 토대가 될 것으로 기대된다. 광촉매를 기반으로 한 인공광합성 기술이 상용화되면, 대기 이산화탄소 농도 상승 억제에 도움을 줄 뿐 아니라, 고갈되는 화석 자원을 대체할 수 있는 대안에너지가 될 것으로 예상된다. 

박소정, 김진흥 교수는 “이번 연구는 태양광에너지를 사용하여 자연조효소인 NADH를 광재생하고, NADH를 사용하는 효소인 ‘개미산 탈수소화효소(formate dehydrogenase)’에 의해 이산화탄소를 전환하여 개미산을 생산하는 2차원 나노물질을 세계 최초로 선보인 것으로, 후속 연구를 통해 광촉매 기능을 더욱 향상 시켜 고효율의 인공광합성 시스템으로 발전시킬 것”이라고 향후 계획을 밝혔다. 

본 연구는 환경부 한국환경기술원에서 주관하는 생태모방 기반 환경오염관리 기술개발사업과 한국연구재단이 주관하는 ‘SRC 선도연구센터사업’의 지원을 받아 수행됐다. 

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