이석원 기자케임브리지대학 연구팀이 태양과 물에서 연료를 사용할 수 있는 가스를 합성할 수 있는 인공 잎(Artificial leaf)을 개발했다고 발표했다. 네이처 머티어리얼(Nature Materials)에 게재한 논문에 따르면 이번에 개발한 인공 잎은 상대적으로 저렴한 코발트를 이용하기 때문에 저렴한 비용으로 생산할 수 있다. 또 비가 오거나 흐린 날 등 태양광이 약할 때에도 안정적으로 연료를 생산할 수 있다고 한다.
연료를 만드는 인공 잎 개발에 성공한 건 케임브리지대학 버질 안드레이(Virgil Andrei) 연구팀. 가스 연료 등을 연구했던 연구팀은 식물이 태양광을 이용한 광합성에 의해 물과 이산화탄소로부터 에너지를 생산하는 구조에 주목했다. 천연 광물인 코발트를 이용한 촉매와 페로브스카이트(perovskite), 비스무스바나듐 산화물(Bismuth vanadium oxide)을 이용해 만든 흡광 물질 2종을 결합해 빛과 물, 이산화탄소에서 가스 연료를 생산하는 인공 잎을 개발하는데 성공한 것.
연구팀이 개발한 인공 잎은 탄산가스가 녹아 물에 담갔다가 빛을 쬐면 한쪽 흡광제와 촉매에서 산소가 발생한다. 동시에 다른쪽 흡광 물질이 이산화탄소와 물을 일산화탄소와 수소로 변환한다. 이런 가스를 혼합해 합성가스로 가스 연료를 만든다.
합성가스는 일산화탄소와 수소 혼합 가스로 주로 산업 분야에서 비료와 의약품 같은 제조에 이용하지만 1970년대 무렵까지 도시 가스로 이용한 적도 있어 연료 용도도 기대할 수 있다. 7년 이상 합성가스 연구에 종사해온 연구팀은 “지금은 합성가스는 이산화탄소를 발생시키는 산업 공정에 의해 생산되고 있지만 인공 잎을 이용하면 탄소 중립 합성가스를 생산할 수 있다”고 밝혔다. 이산화탄소를 배출하지 않고 태양광만으로 합성가스를 합성할 수 있는 인공 잎의 강점을 강조한 것이다.
지금까지도 물에서 연료를 합성할 수 있는 인공 잎이 등장한 적이 있지만 단독으로 연료를 합성하지 않은 채 박테리아의 힘을 빌릴 필요가 있었다. 또 기존 인공 잎은 촉매로 은이나 백금을 이용해 비용이 더 많이 드는 게 문제였다. 하지만 연구팀이 개발한 이번 인공 잎은 상대적으로 저렴한 코발트를 촉매로 하기 때문에 그만큼 비용을 줄일 수 있다. 더구나 코발트는 기존 촉매보다 연료를 합성하는 능력이 높기 때문에 에너지 조금으로도 연료를 합성할 수 있으며 시간과 기상조건에 관계없이 언제든 어떤 지역에서도 연료를 생산할 수 있다.
연구팀은 풍력과 태양광 등 신재생 에너지는 2019년 현재 전 세계 총 에너지 수요 중 25% 밖에 충족시킬 수 없다고 지적한다. 앞으로의 지구 온난화 대책에는 화석 연료 대신 발전과 운송에 이용할 수 있는 에너지원이 열쇠가 될 것이라는 견해를 나타냈다.
연구 그룹은 앞으로 가솔린 대신 이용 가능한 액체 합성가스 연료 등을 생산할 수 있는 인공 잎 개발을 목표로 추가 연구를 진행해나갈 예정이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.
정용환 기자
이원영 기자
