<사진. 자연에서 발견되는 망간 클러스터 구조
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

자연에 의해서 생성되는 태양 연료

독일과 프랑스 연구진은 자연에서 생성되는 태양 연료에 대한 새로운 연구결과를 발표했다.

에너지 공급 부족은 자연에서 영감을 받은 모델을 사용해서 향후에 해결될 수 있을 것이다. 광합성 동안에, 식물, 조류, 일부 박테리아 종류들은 태양 에너지를 이용해서 포도당과 다른 에너지가 풍부한 물질(즉, 연료)을 생산한다. 막스플랑크 화학에너지변환연구소(Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion)와 프랑스 원자력청(Commissariat a l`Energie Atomique)의 연구진은 이 프로세스가 자연에서 어떻게 일어나는지를 알아내기 위해서 현재 실험적인 방법들을 개발했다. 이번 연구진은 광합성에 참여하는 특히 중요한 보조인자(cofactor)인 망간-칼슘 복합물을 조사했다. 이것은 물을 산소 분자로 분리하기 위해서 태양 에너지를 사용한다. 이번 연구진은 화학적 반응 속의 중요한 단계에서 이런 복합물의 정확한 구조를 측정할 수 있었다. 이것은 산소 분자(O2)가 금속 복합물에서 어떻게 생성되는지를 상세하게 보여준다. 광합성에 대한 이런 새로운 통찰력을 통해서, 과학자들은 화학 에너지 캐리어 속에 태양광 에너지를 저장할 수 있는 합성 시스템을 개발할 수 있을 것이다.

30억 년 이상 동안에, 자연은 광합성을 위한 주요 에너지원으로서 태양광을 이용했다. 이 프로세스에서, 식물, 조류, 남조류는 태양광을 이용해서 물을 분리하고 이산화탄소로부터 에너지가 풍부한 화합물을 생성한다. 최종 제품은 살아 있는 세포 속의 태양 전지로서 활용하는 탄수화물이다. 광합성에 참여하는 기본적인 반응들은 이전부터 알려졌지만, 이번 연구진은 새로운 광 유도성 물 분리 프로세스를 개발하는데 성공했다. 결과적으로, 그들은 태양광과 물을 사용해서 인공 광합성으로 친환경적이고 저렴한 태양 연료의 생성을 위한 과학적인 근거를 제시했다. 이 연구결과는 오일, 석탄, 천연 가스와 같은 화석 연료에 대한 의존성을 낮출 수 있을 것이다.

광 유도성 물 분리는 큰 멤브레인 단백질(photosystem II) 속에 삽입된 금속 복합물에서 일어난다. 이런 복합물은 4개의 망간 원자와 1개의 칼슘 원자로 구성되고, 이것은 산소 브리지(bridge)의 네트워크를 통해서 서로 결합된다. 산화 또는 산소를 발생하는 복합물은 전자와 양성자를 방출하는 복잡적인 사이클을 가지고, 궁극적으로 수소와 산소 분자를 방출한다.

저널 Science에서, 이번 연구진은 산소가 생산되기 이전에 존재하는 망간-칼슘 복합체의 구조를 제시했다. 식물 광합성의 주요 단계에 대한 통찰력은 매우 중요하다; 이것은 광합성에 포함된 메커니즘의 더 상세한 이해를 제공하고, 이 모델을 기반으로 하는 광 유도성 물 분리를 위한 합성 시스템을 개발할 수 있게 할 것이다. 이번 연구진은 자연 속에서 발생하는 물 분리를 더 잘 이해할 목적으로 이 연구를 수행했다.

이번 연구진이 직면한 첫 번째 과제는 원래의 유기체인 호열성 시아노 박테리아(thermophilic cyanobacterium)에서 완전한 물 분리 복합물을 가진 photosystem II의 추출 및 정제이다. 호열성 시아노 박테리아는 일본의 온천과 화산에서 발견된다. 제조 품질과 관련된 매우 엄격한 요구조건을 충족하기 위해서, 이번 연구진은 일본 연구진과 협력해서 이 연구를 몇 년 동안 수행했다.

이 연구팀이 직면하는 두 번째 과제는 서로 다른 물 분리 과정 동안에 photosystem II 속의 망간 복합물의 특성을 평가하는 것이다. 이번 연구진은 전자 상자성 공명(electron paramagnetic resonance, EPR)의 도움으로 이런 장애물을 극복했다. 이 기술은 분자 또는 금속 복합물 속의 전자 분포를 시각화할 수 있고 각각의 물 분리 단계들에 대한 깊은 통찰력을 제공할 수 있다. “이런 측정은 새로운 정보를 제공하고 반응 사이클 동안의 분자 구조 분석과 관련된 문제들을 해결할 수 있게 한다”고 Alain Boussac 박사가 말했다.

마지막으로, 세 번째 과제는 생체 촉매의 완벽한 구조적 모델을 만드는데 이 정보를 사용하는 것이다. 이 프로세스에 필요한 계산들은 새로운 이론적 모델들을 사용해서 수행되었고, 이번 연구진은 이런 방법으로 반응 사이클 동안에 두 개의 물 분자가 복합물 속의 활성 산소 원자와 결합되고 양성자를 방출한다는 것을 관찰했고. 이것은 O-O 결합의 형성을 이끌었다.

원자 수준에서 photosystem II 속의 물 분리 촉매의 구조 및 기능을 밝혀내었기 때문에, 물 분리 메커니즘은 쉽게 설명될 수 있었다. 이런 지식은 친환경적이고, 저렴하며, 쉽게 접근할 수 있는 구성요소를 사용해서 물을 분리하는 유사한 합성 촉매의 디자인에 중요한 기준으로 사용될 수 있을 것이다. 현재, 비용이 많이 드는 백금과 기타 희귀 금속 또는 금속 복합물은 이런 목적을 위해서 폭넓게 사용된다. 이것은 매우 비용이 많이 드는 수소와 같은 재생 가능한 에너지 캐리어(연료)를 대량 생산할 수 있게 할 것이다.

생체-영감된 촉매의 도움으로, 수소 또는 또 다른 태양 연료는 물 분리 촉매와 태양광 장치의 결합을 통해서 쉽게 제조될 수 있다. 이것은 태양광 발전과 관련된 주요 문제들을 극복하기 위한 에너지 분야에서 사용될 수 있을 것이다: 태양광은 시간에 매우 제한받고, 자동차를 구동하는데 매우 적합하지 않다. 이와는 대조적으로, 태양 연료는 화합물 속에 태양 에너지를 직접적으로 저장할 수 있다. 이 연구결과는 저널 Science에 "Electronic structure of the oxygenevolving complex in photosystem II prior to O-O bond formation"이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.1254910)

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr