인공 잎은 이산화탄소로 액체 연료를 양조합니다.

Jun 10, 2023

인공 광합성에 대한 아이디어는 매우 매력적입니다. 햇빛과 이산화탄소를 흡수한 다음 물이 있으면 연료를 생산할 수 있는 장치입니다. 설계는 물을 분리하여 수소 연료를 생산하는 2011년 시스템에서 이를 사용하여 탄소 기반 연료를 생성하여 이산화탄소를 줄이는 것을 목표로 하는 보다 최근의 보다 복잡한 시스템으로 발전했습니다.

하지만 진행 속도가 느려졌습니다. 연구자들은 수년에 걸쳐 수소를 효율적으로 생산하는 시스템을 만드는 데 성공했으며 최근에는 메탄올과 같은 다른 제품을 만드는 데 사용되는 일산화탄소와 수소의 혼합물인 합성가스를 만들 수 있는 시스템을 고안했습니다. 그러나 유용한 액체 연료를 직접 추출할 수 있는 장치는 지금까지 연구자들에게 알려지지 않았습니다.

케임브리지 대학의 연구원들은 이산화탄소를 액체 연료인 프로판올과 에탄올로 전환할 수 있는 최초의 인공 잎을 만들었습니다. 이전에 다른 사람들이 전기에 의해 이산화탄소를 연료로 전환하는 것을 입증한 반면, Nature Energy 저널에 보고된 새로운 연구는 햇빛을 사용하여 한 단계로 이산화탄소로부터 깨끗하고 유용한 연료를 직접 생산하는 데 있어 중요한 발전입니다.

전 세계의 과학자들은 나중에 사용하기 위해 태양 에너지를 병에 담아 대기에서 배출되는 이산화탄소를 제거하는 방법으로 태양 연료를 만들려고 노력하고 있습니다. 인공 광합성은 이러한 광범위한 범주에 속하며 여러 접근법을 사용하여 달성할 수 있습니다. 하나는 광촉매인데, 햇빛이 이산화티타늄과 같은 빛 구동 촉매에 직접 비추어 화학 반응을 촉발하여 이산화탄소를 줄이고 물을 분해하는 것입니다.

케임브리지 팀은 대신에 광전기화학 접근법을 채택했다고 팀 구성원이자 케임브리지 화학 연구원인 Motiar Rahaman은 설명합니다. 이 접근 방식에는 햇빛을 흡수하고 전기를 생산하는 반도체 광전극이 있는 셀이 포함되며, 이는 촉매 구동 화학 반응에 전력을 공급합니다. 2019년 케임브리지 화학 교수인 어윈 라이스너(Erwin Reisner)와 동료들은 합성가스를 생산하는 최초의 인공 잎 장치를 만들었고, 2022년에는 그러한 장치의 경량 부유형 버전을 만들었습니다.

이들 장치 각각은 광전지 페로브스카이트와 코발트 촉매로 구성된 음극과 광촉매인 비스무트 바나데이트로 만들어진 양극을 갖고 있다. 장치를 물에 담그면 비스무트 바나듐산염이 햇빛을 흡수하고 양극에서 물을 분해하는 과정을 촉발합니다. 한편, 음극에서는 페로브스카이트가 전기를 생산하고, 이 전기는 코발트 촉매를 구동해 이산화탄소를 줄이고 합성가스를 생산한다.

Rahaman, Reisner 및 팀은 이제 합성가스 대신 다중탄소 알코올을 생산할 수 있는 장치를 허용하는 특수 촉매로 장치를 업그레이드했습니다. 구리는 이산화탄소로부터 다중탄소 생성물을 형성할 수 있는 유일한 금속으로 알려져 있지만, 이 과정에는 많은 에너지가 필요하다고 Rahaman은 말합니다. 그래서 연구자들은 "낮은 에너지를 필요로 하는 낮은 전위에서 이 작업을 수행하는" 바이메탈 구리-팔라듐 촉매를 만들기 위해 팔라듐으로 도핑했습니다.

인공 잎은 광반응기 내부에서 태양광 조사를 받아 테스트됩니다.Motiar Rahaman

이 장치는 햇빛 아래 물에 담그면 프로판올과 에탄올의 1:1 비율로 알코올을 활성화하고 생성하기 시작합니다. 연구진은 실험실에서 20시간 동안 반응을 진행시킨 후 반응기에서 알코올을 분리했습니다.

Rahaman은 아직 초기 단계에 있으며 장치는 한 측면이 5mm에 불과할 정도로 작다고 말합니다. 제곱센티미터 면적당 불과 마이크로리터의 알코올을 생산합니다. 그러나 팀은 더 많은 햇빛을 수확하기 위해 광흡수 재료를 최적화하고 더 많은 이산화탄소를 연료로 전환하기 위해 촉매를 조정함으로써 장치 효율성을 향상시키기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 더 많은 양의 연료를 생산할 수 있도록 장치의 규모를 확장할 계획입니다.

"우리가 방금 기술을 발명했기 때문에 장치는 여전히 작습니다."라고 그는 말합니다. "우리는 이제 마이크로리터 양의 알코올을 얻고 있습니다. 하지만 우리는 과학을 발명했습니다. 이제 더 큰 규모로 나아가는 것은 기술적 엔지니어링 노력이 될 것입니다. 표면적을 늘리면 제품의 양도 늘어날 것입니다."