빛과 지방으로 수소연료 발생

미국-러시아 과학자 공동연구

과학자들이 빛과 지방을 가지고 수소연료를 생산함에 따라, 미래에 수소자동차에 사용될 수 있을지 관심을 끈다.

미국과 러시아 과학자들이 공동연구를 벌여 빛과 지방질을 가지고 수소를 생산하는 합성물질을 개발했다고 발표했다.

아마도 대체 에너지 중 수소만큼 깨끗한 것은 찾을 수 없을 것이다. 연료전지에서 수소를 태우면 부산물로 물만 나온다. 물은 다시 수소로 분해해서 이용할 수 있다.

그러나 대규모로 수소연료전지를 생산하는 것은 그렇게 쉽지 않다.  연료전지는 매우 복잡하고 무엇보다 최근까지는 비싼 재료를 사용해야 하기 때문이다.

미국 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory) 는 모스크바 물리학및기술연구소(Moscow Institute of Physics and Technology MIPT)와 공동으로 수소를 발생하는 대체방안을 발견했다.

햇빛과 광에 민감하게 반응하는 지질(脂質)을 합성해서 물에서 수소를 생산하는 것이 핵심이다. 이같은 연구결과는 ACS나노 저널에 발표됐다.

이 새로운 연구는 좀 더 효과적이고  저렴하게 수소전지를 생산하는 방법을 제공한다..

지방으로 만든 나노디스크 개념도 ⓒ  MIPT

지방으로 만든 나노디스크 개념도 ⓒ MIPT

미국과 러시아 과학자들은 나노 스케일의 ‘생물학적 구조물’을 만들었는데 이 구조물에 빛을 쪼이면 물에서 수소를 생산할 수 있다. 이를 위해 과학자들은 빛에 민감한 광감성 단백질을 나노디스크에 삽입했다.

이번 연구에 참여한 러시아의 블라디미르 추핀(Vladimir Chupin) 교수는 화학박사이면서 ‘노화 및 노화관련 질병의 분자메커니즘연구센터’에서 ‘지방질의 화학 및 물리실험실’ 대표를 맡고 있다.

추핀 교수는 “우리 실험실은 멤브레인 단백질을 가지고 연구하는데 특히 나노디스크는 생물리학 및 의학적인 분야에 이용된다.”고 말했다.

추핀 교수는 “최근 미국과 합동연구에서 생물학적인 재료와 기술적 재료를 결합하면 나노디스크(nanodisc)가 수소를 생산하는데 사용될 수 있음을 보여줬다”고 말했다.

화학-생물학-물리학의 융합연구 성과

일부 자동차 회사에서 수소자동차를 개발하고 있으나, 비용이 많이 들어 본격적으로 이용하는데는 한계가 있다. 그러나 수소자동차는 매우 깨끗하기 때문에 자동차 회사들은  대체연료로 계속 연구하는 중이다..

수소는 태양광을 이용하면 물에서 생산할 수 있다. 이같은 과정에는 특수한 광촉매가 필요하다. 이 중 이산화티타튬은 가장 널리 사용되는 광촉매이므로, 과학자들은 이산화티타늄을 나노사이즈로 늘려서 사용하려한다.

미국 아르곤국립연구소 연구팀은 생물학에 눈을 돌렸다. 러시아과학자와 공동연구를 벌여 이산화티타늄으로 만든 나노구조물과 단백질 멤브레인인 박테리아로돕신(bacteriorhodopsin)을 결합시켰다. 그랬더니 이 두 개의 감광성 물질은 각각 따로 있을 때에 비해서 훨씬 좋은 성과를 발휘하는 새로운 시스템으로 발전한 것이다.

연구팀은 결국 나노디스크를 광촉매로 사용한 것이다. 연구팀은 직경 10나노미터인 나노디스크를 얻었으며, 이 안에 박테리오로돕신이 둥지를 틀고 들어 있다.

연구팀은 나노디스크를 이산화티타늄과 함께 물에 녹였다. 그리고 약간의 백금을 첨가했더니 광촉매의 기능이 더 좋아졌다. 이런 혼합물을 밤새 놓아 두었더니 나노디스크에 촉매입자에게 달라붙었다. 광자 펌프인 박테리오로돕신은 2배로 늘었으며 이것이 빛을 잡아서 그 에너지를 이산화티타늄에 이전함으로써 감광성을 높여주는 역할을 했다.

이같은 혼합물을 초록 및 백색에 노출했더니 74배나 더 많은 수소를 생산하는 것이었다. 수소는  2,3시간 동안 일정한 비율로 발생했다.

이와 유사한 나노구조물에 대한 실험이 전에도 실시되었지만, 당시는 자연세포멤브레인에 있는 박테리오로돕신을 사용한 것이다. 이번에 연구팀은 이것을 나노디스크로 대체함으로써 비슷하거나 더 많은 수소를 생산할 수 있음을 발견했다.

연구팀은 “비록 자연적인 박테리오로돕신은 값싼 선택으로 남지만, 현재로서는 인공적인 생합성 방법이 곧 나노디스크를 좀 더 실현성 있는 대안으로 만들어줄 가능성이 있다”고 말했다.

최근 과학자들이 화학이나 물리 또는 생물학의 전통적인 과학분야를 서로 융합시키자, 과거와는 전혀 다른 놀라운 기술들이 잇따라 등장하는 융합과학시대가 본격적으로 다가왔다.

이번 연구도 전혀 다른 분야의 이질적인 융합이 이뤄낸 연구결과이다.

노화방지 연구를 하는 러시아 생화학자는 전혀 상관이 없어보이는 미국 아르곤 국립연구소와 공동연구를 벌여 지방에서 수소를 발생하는 신기한 결과를 얻었다. 융합연구의 중요성이 점점 부각되는 것이다.

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