로렌스 버클리 국립연구소, 박테리아에서 발견된 대사 과정 본떠 이산화탄소 태양연료 핵심 성분으로 전환
7nm 직경의 구리 나노입자(왼쪽)와 은 나노입자(가운데)의 전자현미경 이미지. 효율적인 인공 광합성 시스템 설계를 위해 광흡수 실리콘 나노와이어와 잠재적으로 결합될 수 있는 구리 및 은 나노입자로부터 합성된 초박형 물질의 전자현미경 이미지(오른쪽). (사진=페이동 양(Peidong Yang)/버클리랩)
로렌스 버클리 국립연구소 과학자들은 최근 일부 박테리아에서 발견되는 대사 과정을 본떠 이산화탄소(CO2)를 ‘액체 햇빛’ 또는 인공 광합성을 통해 생성된 태양연료의 핵심 성분인 액체 초산염으로 전환하는 새로운 기술을 시연했다.
Nature Catalysis에 보고된 새로운 접근법은 지구 온난화 및 기후변화와 관련된 화석연료에 대한 무(無)탄소 대안을 발전시키는 데 도움이 될 수 있다.
이 연구는 이 박테리아가 전자와 이산화탄소로부터 아세테이트를 자연적으로 합성하는 방법을 모방한 장치의 첫 번째 시연이기도 하다.
페이동 양(Peidong Yang) 버클리랩 소재과학부 수석교수 겸 UC버클리 화학소재과학공학부 교수는 “놀라운 것은 이 작은 미생물들이 어떻게 자연스럽게 이산화탄소를 초산염으로 전환하는지를 모방해 우리가 배웠다는 것이다”고 말했다.
그는 "이산화탄소를 유용한 제품으로 전환하기 위해 실험실에서 하는 모든 작업은 자연에서 영감을 받았다"며 "이산화탄소 배출을 완화하고 기후변화와 싸우는 측면에서 이것을 해결책의 일부"라고 설명했다.
수십 년간 과학자들은 일부 박테리아의 대사 경로를 통해 전자와 이산화탄소를 소화해 전자에 의해 구동되는 반응인 아세테이트를 생성할 수 있다는 사실을 발견했다.
이를 위해서는 이산화탄소 분자를 카르보닐그룹(CO) 또는 메틸 그룹(CH3) 두 가지 다른 또는 비대칭 화학 그룹으로 분해한다. 이 반응 경로의 효소는 CO와 CH3의 탄소가 결합 또는 결합하도록 해 최종 생성물로 아세테이트를 생성하는 또 다른 촉매 반응을 일으킨다.
인공 광합성 분야의 과학자들은 비대칭 탄소-탄소 결합이라고 하는 경로의 모든 화학을 모방하는 장치를 개발하고자 했지만 박테리아의 천연효소 촉매만큼 효율적으로 작동하는 합성 전기 촉매를 찾는 것은 어려웠다.
페이동 양 교수는 "우리는 이러한 미생물이 그것을 할 수 있다면 실험실에서 그들의 화학을 모방할 수 있어야 한다고 생각한다"고 전했다.
탄소를 다양한 유용한 제품으로 변환하는 구리의 재능은 1970년대 발견됐다.
이전 연구를 기반으로 페이동 양 교수와 그의 연구진은 구리 촉매가 장착된 인공 광합성 장치가 이산화탄소와 물을 메틸과 카르보닐 그룹으로 전환한 다음 이들 제품을 아세테이트로 전환할 수 있어야 한다고 추론했다.
이후 추론을 근거로 한 가지 실험을 위해 페이동 양 교수와 연구진은 구리 표면을 가진 모델 장치를 설계했다. 이어 연구진은 구리 표면을 액체 미틸 요오드화물(CH3I)과 CO 가스에 노출시키고 시스템에 전기적 바이어스를 적용했다.
연구진은 CO가 구리 표면에 달라붙어 CO와 CH3 그룹의 비대칭 결합을 유발해 아세테이트를 생성할 것이라는 가설을 세웠다. 동위원소 표지 CH3I는 반응 경로와 최종 제품을 추적하기 위해 실험에 사용됐다.
실험 결과, 해당 가설이 사실임이 증명됐다.
화학분석 실험에서 구리의 카르보닐기와 메틸기 쌍이 아세테이트뿐만 아니라 에탄올과 아세톤을 포함한 다른 가치 있는 액체를 생성한다는 사실이 밝혀진 것.
동위원소 추적으로 연구진은 아세테이트가 CO와 CH3D의 결합을 통해 형성됐음을 확인했다.
다른 실험에서 연구진은 각각 직경이 7㎚(10억분의 1미터)인 구리와 은 나노입자 용액으로부터 초박형 물질을 합성했다. 이후 연구진은 이번에는 나노 입자의 얇은 재료로 적층된 모델 장치를 설계했다.
예상대로 전기적 바이어스가 반응을 일으켜 은 나노입자가 CO2를 카르보닐 그룹으로 전환하도록 유도하는 반면 구리 나노입자는 이산화탄소를 메틸 그룹으로 전환시켰다. 페이동 양 연구소의 후속 분석에서는 CO와 CH3 사이의 또 다른 반응이 아세테이트와 같은 액체 제품을 합성한 것으로 나타났다.
연구진은 Molecular Foundry에서 전자현미경 실험을 통해 구리와 은 나노입자가 서로 밀착돼 탠덤 시스템을 형성하고 있으며 구리 나노입자가 비대칭 결합의 촉매 중심 역할을 한다는 사실을 알게 됐다고 밝혔다.
아울러 페이동 양 교수는 이러한 구리-은 나노입자가 미래의 효율적인 인공 광합성 시스템 설계에서 빛을 흡수하는 실리콘 나노와이어와 잠재적으로 결합될 수 있다고 설명했다.
뿐만 아니라 페이동 양 교수는 지난 2015년, 이산화탄소와 물로부터 아세테이트를 생성하기 위해 햇빛 에너지를 사용하는 반도체 나노와이어와 박테리아로 구성된 인공 광합성 시스템을 시연하는 연구를 공동 주도하기도 했다. 이 발견은 연구진이 이산화탄소에서 높은 수율의 액체 제품을 생산하기 위한 최고의 화학 반응을 찾기 위해 수십 년을 보냈던 분야에서 중요한 의미를 갖는다.
새로운 연구는 합성 전기 촉매인 구리-은 나노입자를 시연해 이 초기 연구를 발전시켰다.
페이동 양 교수는 "박테리아는 이산화탄소에서 액체 제품을 생산하기 위해 하는 일을 분명히 모방한다"며 "우리는 그것을 개선하기 위해 아직 해야 할 일이 많지만 인공 광합성을 발전시킬 수 있는 잠재력에 흥분하고 있다"고 말했다.
