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산소 수급
산소 수요

산소의 근원


수증기

인공 광합성(artificial photosynthesis)은 태양 에너지를 나노입자를 이용하여 화학 에너지(수소 등) 으로 전환하여 저장할 수 있는 기술 시스템이다. 물을 수소산소로 분해하는 데 일광 에너지(solar energy)를 이용하는 인공 광합성은 청정하고 휴대가 가능한 에너지를 공급할 수 있다. 자연의 광합성(photosynthesis) 작용을 모방한 인공 광합성 촉매 기술의 발견으로, 물분자(H2O)에서 수소산소를 분리하다. 만약 과학자들이 태양 에너지를 활용하기 위하여 수소를 보다 효율적으로 생산하는 방법을 찾는다면, 인공 광합성으로 자동차 움직인다. 인공 광합성은 에너지와 기후 문제를 해결하는 데 결정적인 기여를 하게 될 것이다.

인공 광합성은 이외에도 다른 뜻으로도 쓰인다. 대체 조명으로 차세대 인공 광원(LED)을 활용한 광환경 제어시스템 기술이 개발되면 식물의 광합성에 관계되는 청색과 적색 파장만 골라 식물에 비출 수있고, 광량도 마음대로 조절할수 있다. 다이오드라고 하는 LED(light emitting diode)는 이제 인공 재배 식물의 광합성 작용에 '최적의 광원'이라는 인식을 드디어 얻기 시작하는데 야채 등의 식용 작물이 광합성을 하기 위해 흡수하는 광파장은 660nm(적색)이다. 생명 유지에 필요한 음식물의 공장생산은 인공 엽록소 공장을 개발하여 인공 광합성으로 식물이 하는 것 처럼 탄소화물을 공장에서 무한정 생산하면 인류의 식량은 해결된다는 것이다. 빌딩 농장은 햇빛 대신 LED를 사용해서 식물이 광합성을 할 수 있게 해준다고 한다.

그 외에도 광합성 포피린 분자 구조체를 이용해 식물의 빛 에너지 이동 과정을 모방한 인공 광합성 분자를 만들 수 있다. 태양에서 오는 빛에너지를 모으는 역할을 한다.

막스 플랑크 연구소편집

식물은 공기 중에 이산화탄소를 취해 이를 바이오매스(biomass)로 변환시킬 수 있다. 광합성(photosynthesis)으로 알려진 이러한 공정에서 식물은 에너지원으로 빛을 이용한다. 화학자들도 합성 반응에서 탄소 공급원으로 이산화탄소를 이용하기를 원하지만, 식물에서처럼 그리 만만치가 않다.

최근 막스 플랑크 콜로이드 및 계면 연구소(Max Planck Institute for Colloids and Interfaces)의 마커스 안토니에티(Markus Antonietti) 연구진은 이러한 목표에 대한 중대한 성과를 이룰 수 있었다. 연구진은 새로운 형태의 무금속 촉매인 흑연 탄소 질화물(graphitic carbon nitride)을 이용함으로써 활성화된 이산화탄소를 화학 반응에 성공적을 사용할 수 있었으며, 이에 대한 사실을 Angewandte Chemie에 소개하였다.

화학 반응에서 이산화탄소가 분해되었다는 의미를 갖는 이산화탄소의 화학적 활성화는 합성 화학에 있어 가장 큰 도전 과제 중 하나라고 화학자인 고에트만, 토마스(Goettmann, Thomas), 안토니에티는 말했다. 이산화탄소 분자의 결합은 매우 안정하기 때문에 이를 끊기 위해선 많은 에너지를 필요로 한다. 지금까지 알려진 몇 가지 특별한 금속 촉매가 이산화탄소의 C-O 결합을 깨뜨릴 수 있었다.

선행 연구 결과와 달리, 식물로부터 영감을 얻은 안토니에티 연구진은 무금속 촉매에 연구의 초점을 맞추었다. 현대의 녹색 식물에서 볼 수 있는 광합성은 중요한 중간체 단계를 포함한다. 다시 말해 이산화탄소는 카바메이트(carbamates)를 형성하기 위해 질소 원자와 결합하게 된다는 사실이다.

이에 연구진은 카바메이트의 형성을 촉진할 수 있도록 질소가 풍부한 촉매를 이용하여 실험을 진행하였다. 새로운 종류의 촉매는 평평한 흑연 유사 층 물질로 제조되었다. 각각의 층은 탄소질소 원자를 갖는 고리 시스템(ring systems)으로 구성된다. 흑연 탄소 질화물로 불린 이러한 다공성 물질은 열에 안정하며, 다양한 화학적 환경에 노출될지라도 안정하여 항상 회수될 수 있기에 촉매에 이상적이다. 또한 이러한 촉매는 이산화탄소를 활성화하는데 사용될 수 있다. 따라서 벤젠(benzene)을 페놀(phenol)로 산화시키는데 사용될 수 있다. 반응의 부산물은 화학 합성에 직접 사용될 수 있는 일산화탄소이다.

공식적인 관점에서 이러한 반응은 이산화탄소를 산소 이라디칼(oxygen diradical)과 CO로 분해하는 것이다. 하지만, 광합성과 달리 이러한 반응은 카바메이트를 통해 진행되는 것으로 보인다. 첫째 단계에서 이산화탄소는 탄소 질화물에 존재하는 개개의 자유 아미노 그룹에 결합한다. 이후 이들은 벤젠페놀로 산화시켜, 최종적으로 CO는 촉매로부터 분리된다. 이러한 과정은 이전에 알려지지 않은 이산화탄소의 새로운 화학 반응이길 기대한다고 안토니에티는 말했다. 심지어 이러한 반응이 인공 광합성에서 첫째 예일지도 모른다고 그는 말을 맺었다.


참고 문헌편집

  • Markus Antonietti, “Metal-Free Activation of CO2 by Mesoporous Graphitic Carbon Nitride,” Angewandte Chemie International Edition 2007, 46, No. 15, doi: 10.1002/anie.200603478.

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