전복 껍데기의 진주층과 개발된 인공광합성 촉매 비교. (사진=한국연구재단 제공)
전복 껍데기의 진주층(nacre)을 모방해 인공광합성 소자를 제조하는 기술이 개발됐다.
한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 류정기 교수와 연세대 김병수 교수 공동 연구팀이 인공 진주층을 통해 인공광합성의 효율을 대폭 향상했다고 29일 밝혔다.
인공광합성은 식물이나 조류의 광합성처럼 태양에너지를 이용해 유용한 화학물질을 생산하는 친환경 기술이다.
효율적 인공광합성을 위해서는 백금과 이리듐 등 희귀금속 또는 전이금속 촉매가 필수적이지만, 기존에 연구된 촉매는 제조 비용이나 효율성에 제약이 있어 실용화가 어려웠다.
연구팀은 금속을 극소량만 사용하면서도 활성이 높은 분자 형태의 촉매에 주목했다.
분자 촉매를 물 분해 반응이 일어나는 전극 표면에 안정적으로 고정하기 위해 전복 껍데기 진주층 구조를 본뜬 결과 전극의 효율이 2.5배가량 늘었다.
전복 껍데기의 진주층은 탄산칼슘과 유기물이 교대로 겹겹이 쌓인 구조이다.
여기서 키틴과 같은 유기물이 접착제 역할을 하며 판상의 탄산칼슘을 고정하고 전복 껍데기의 강도를 향상한다.
이런 구조에 착안해 연구팀은 분자 촉매와 유기물을 전극 표면에 층상으로 쌓았다.
이때 활용된 유기물은 산화 그래핀으로써 분자 촉매와의 정전기적 인력을 통해 전극표면에 순차적으로 쌓일 수 있다.
특히 산화 그래핀은 접착제로서 역할뿐만 아니라 전극에서 생성된 전하를 촉매까지 효율적으로 전달해준다는 것도 밝혀졌다.
류정기 교수는 "이 연구는 높은 효율의 인공광합성 소자를 자연모방을 통해 쉽고 간편하게 설계하고 개발한 것"이라며 "저탄소 녹색성장에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업과 나노‧소재기술개발사업의 지원으로 수행했다. 국제 저명학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 22일 표지논문으로 게재됐다.