이 인공 잎은 오염을 전력으로 바꾼다

이는 전 세계 탄소 배출량의 약 6%에 해당합니다.

이제 케임브리지 대학이 이끄는 팀은 이 중요한 산업을 궁극적으로 “탈화석화”할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 탐구하고 있습니다.

그들의 혁신에는 빛을 흡수하는 유기 고분자와 박테리아 효소를 결합하여 햇빛, 물, 이산화탄소를 추가 화학 반응에 동력을 공급할 수 있는 청정 연료인 포름산염으로 변환하는 하이브리드 장치가 포함됩니다.

이 “반인공 잎”은 식물이 햇빛을 에너지로 바꾸는 데 사용하는 자연 과정인 광합성을 복제하고 전적으로 자체 전력으로 작동합니다. 독성 또는 불안정한 광 흡수제에 의존했던 이전 디자인과 달리 이 새로운 바이오하이브리드 모델은 무독성 재료를 사용하고 더 효율적으로 작동하며 추가 첨가제 없이 안정성을 유지합니다.

실험실 테스트에서 팀은 햇빛을 사용하여 이산화탄소를 포름산염으로 전환한 다음 이를 ‘도미노’ 반응에 직접 적용하여 의약품에 사용되는 귀중한 화합물을 합성하여 높은 수율과 순도를 모두 달성했습니다.

에 발표된 연구 결과에 따르면 줄이는 유기 반도체가 바이오 하이브리드 시스템에서 빛을 포착하는 구성 요소 역할을 하여 차세대 친환경 인공 잎의 길을 닦은 최초의 사례입니다.

화학 산업은 여전히 ​​세계 경제의 초석으로 남아 있으며 의약품, 비료부터 플라스틱, 페인트, 전자 제품, 세척제, 세면도구에 이르기까지 광범위한 제품을 생산합니다.

연구를 주도한 케임브리지 대학 화학과의 Erwin Reisner 교수는 “우리가 순환적이고 지속 가능한 경제를 구축하려면 화학 산업은 우리가 해결해야 할 크고 복잡한 문제입니다.”라고 말했습니다. “우리는 우리 모두에게 필요한 수많은 중요한 제품을 생산하는 이 중요한 부문의 화석을 제거할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 우리가 올바르게 할 수 있다면 이는 엄청난 기회입니다.”

Reisner의 연구 그룹은 화석 연료에 의존하지 않고 햇빛을 탄소 기반 연료 및 화학 물질로 바꾸는 인공 잎 개발을 전문으로 합니다. 그러나 초기 설계의 대부분은 빠르게 분해되거나 태양 스펙트럼의 대부분을 낭비하거나 납과 같은 독성 요소를 포함하는 합성 촉매 또는 무기 반도체에 의존합니다.

Reisner 연구실에서 박사 과정의 일환으로 연구를 완료한 공동 제1저자 Celine Yeung 박사는 “독성 성분을 제거하고 유기 원소를 사용하기 시작할 수 있다면 원치 않는 부작용 없이 깨끗한 화학 반응과 단일 최종 생성물을 얻을 수 있습니다”라고 말했습니다. “이 장치는 두 가지 장점을 모두 결합한 것입니다. 유기 반도체는 조정이 가능하고 무독성이며, 생체촉매는 매우 선택적이고 효율적입니다.”

새로운 장치는 황산염 환원 박테리아의 효소와 유기 반도체를 통합하여 물을 수소와 산소로 분리하거나 이산화탄소를 포름산염으로 변환합니다.

연구자들은 또한 오랜 과제를 해결했습니다. 즉, 대부분의 시스템에는 효소 작동을 유지하기 위해 완충제라고 알려진 화학 첨가제가 필요합니다. 이는 빠르게 분해되어 안정성을 제한할 수 있습니다. 연구진은 보조 효소인 탄산탈수효소를 다공성 티타니아 구조에 삽입함으로써 지속 불가능한 첨가물 없이 탄산수와 유사한 간단한 중탄산염 용액에서 시스템이 작동할 수 있도록 했습니다.

Reisner 연구실의 박사후 연구원이자 공동 제1저자인 Yongpeng Liu 박사는 “이것은 마치 큰 퍼즐과 같습니다.”라고 말했습니다. “우리는 단일 목적을 위해 함께 모으려고 노력해 온 다양한 구성 요소를 모두 가지고 있습니다. 이 특정 효소가 전극에 어떻게 고정되는지 알아내는 데 오랜 시간이 걸렸지만 이제 이러한 노력의 결실을 보기 시작했습니다.”

“효소가 어떻게 작동하는지 실제로 연구함으로써 우리는 샌드위치 같은 장치의 다양한 층을 구성하는 재료를 정확하게 설계할 수 있었습니다”라고 Yeung은 말했습니다. “이 디자인은 작은 나노 크기부터 전체 인공 잎에 이르기까지 부품이 더욱 효과적으로 함께 작동하도록 만들었습니다.”

테스트 결과 인공 잎은 높은 전류를 생성하고 전자를 연료 생성 반응으로 유도하는 데 있어 거의 완벽한 효율성을 달성한 것으로 나타났습니다. 이 장치는 24시간 이상 성공적으로 작동했습니다. 이는 이전 설계보다 두 배 이상 긴 시간입니다.

연구원들은 장치의 수명을 연장하고 다양한 유형의 화학 제품을 생산할 수 있도록 적용할 수 있도록 설계를 더욱 개발하기를 희망하고 있습니다.

Reisner는 “우리는 효율적이고 내구성이 있을 뿐만 아니라 독성이 있거나 지속 불가능한 구성 요소가 없는 태양열 구동 장치를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. “이것은 미래에 친환경 연료와 화학 물질을 생산하기 위한 기본 플랫폼이 될 수 있습니다. 흥미롭고 중요한 화학을 수행할 수 있는 진정한 기회입니다.”

이 연구는 싱가포르 과학기술연구청(A*STAR), 유럽 연구 위원회, 스위스 국립 과학 재단, 왕립 공학 아카데미, 영국 연구 혁신(UKRI)의 일부 지원을 받았습니다. Erwin Reisner는 케임브리지 세인트 존스 칼리지의 펠로우입니다. Celine Yeung은 케임브리지 다우닝 칼리지의 회원입니다.