물 분해는 지구에 생명을 유지하는 중요한 반응 중 하나이며, 미래 연료의 생산을 위한 핵심이 될 수 있다. 햇빛을 에너지원으로 사용하여 물과 이산화탄소로부터 글루코스(glucose) 산소를 생산하는 식물의 광합성 과정에서도 핵심적인 반응이다. 그러나 아직 그 비밀은 완전히 밝혀지지 않았다. 자연에서의 물 분해 촉매는 철, 구리, 혹은 니켈 같이 풍부한 물질이 아닌 망간을 기반으로 하고 있는데, 매우 효율적이어서 과학자들은 오랫동안 그 비밀을 풀고자 노력해왔다.
과학자들은 많은 망간 기반의 인공 촉매를 고안해 왔지만, 종성 pH에서 활성을 갖도록 하는 데에는 실패하였다. Nature Communications ("Regulating Proton-Coupled Electron Transfer for Efficient Water Splitting by Manganese Oxides at Neutral pH")지에 게재된 연구에 의하면, Ryuhei Nakamura가 이끄는 일본 이화학연구소(RIKEN) 지속 가능한 자원과학센터(Center for Sustainable Resource Science)의 연구팀은 중성 pH에서 물을 산소와 수소 이온(양성자)으로 효율적으로 분해할 수 있는 미네랄 기반의 촉매 발견을 소개하고 있다.
본 연구의 핵심은 물 분해의 촉매작용이 전자의 양성자의 전달이 적절히 일치할 때에만 효율적이라는 분광학적 발견을 기반으로 한 통찰력이었다. 보통 인공 촉매는 이를 수행하지 못한다. 이를 염두해 두고, 연구팀은 전자와 양성자의 전달 타이밍이 어긋나는 것을 해소할 수 있는 새로운 전략을 구사하였다. 이를 통해 중성 pH에서 산화 망간(manganese oxide)의 촉매 활성을 크게 향상시키는데 성공하였다.
본 연구에서 사용한 알파 산화망간은 자연적으로 발생하는 망간 미네랄의 주요 성분이다. 연구팀은 미네랄과 유사한 산화망간조차도 중성 pH에서 전자와 양성자의 전달되는 타이밍이 일치할 때 효율적으로 물을 분해할 수 있다는 사실을 발견하고 놀랐다고 밝혔다. 이로써 보통 비활성인 망간 미네랄을 자연이 어떻게 물 분해를 위한 활성 촉매로 조작하는지에 대한 실마리를 찾게 되었다.
태양, 바람, 수력발전, 지열과 같은 재생에너지원은 시간에 따라 변동되며, 이 에너지를 저장하는 것은 지속가능한 사회를 구축하기 위한 핵심 이슈가 되고 있다. 물 분해는 에너지를 수소로 전환하고 청전 연료전지 내에서 대기 중 산소와 결합하도록 하거나, 해양이나 대기의 이산화탄소와 반응하여 탄화수소 연료나 재료를 위한 원재료를 제조하는데 사용될 수 있다. 연구팀은 중성 pH에서도 작동할 수 있는 전기화학적 물 분해 기기 구축을 위한 이 새로운 지식을 사용하여, 청정 연료를 위한 자원으로서 물을 활용할 수 있게 되기를 희망하고 있다.
꽃병에 담긴 꽃을 볼 때, 식물은 연료를 만들기 위해 수돗물조차도 자원으로 이용한다. 산이나 염기성 용액을 필요로 하지 않는다. 환원하면, 자연은 안전하고 청정하고 풍부한 물의 형태를 이용하여 진성한 지속가능한 생태계를 만들어 가고 있다. Nakamura는 본 연구결과가 재생에너지를 생성하는데 중성 pH에서 물을 사용하는데 기여할 수 있기를 기대하고 있으며, 지속가능한 사회의 기반을 다지는데 도움이 되길 희망하고 있다.
그림 1> 물 분해에 이용되는 alpha-MnO2의 결정구조. Alpha-MnO2는 MnO2 미네랄(hollandite)의 주요 성분이다. 그림 2> Hollandite라고 불리는 MnO2의 사진
[출처 = KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』/ 2014년 7월 2일]
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Insights from nature for more efficient water splitting
Water splitting is one of the critical reactions that sustain life on earth, and could be a key to the creation of future fuels. It is a key in the process of photosynthesis, through which plants produce glucose and oxygen from water and carbon dioxide, using sunlight as energy.
However, there are still significant mysteries about the process. Nature's own water-splitting catalysts—which are based on manganese rather than more common elements such as iron, copper, or nickel—are incredibly efficient, and scientists have long been studying why this is so and how we can mimic the natural system.
One basic riddle is why nature always uses manganese, a fact that is particularly surprising considering that manganese is rather inactive at neutral pH, which is how water is found in nature. Scientists have been able to devise many artificial manganese-based catalysts of their own, but have not been able to make them active at neutral pH.
Crystal structure of alpha-MnO2, which was used for water splitting. (Image: RIKEN)
The key to this work, according to Nakamura, was the insight, based on spectrographic findings, that the catalysis of water splitting can only be efficient if the transfer of electrons and protons is properly synchronized. Normally, artificial catalysts do not do this. With this in mind, the team devised a new strategy for remedying this mismatch of electron- and proton-transfer timing, and through it were able to achieve a significant improvement in the catalytic activity of manganese oxides at neutral pH.
Learning from nature is an important theme of this research.
According to Nakamura, "The alpha-manganese oxide we used in this work is a main component of naturally occurring manganese minerals. We were surprised to discover that even mineral-like manganese oxides can split water efficiently at neutral pH once the timing of the electron and proton transfer is synchronized. This finding inspired us to think about how nature engineered the normally inactive manganese mineral to become an active catalyst for water splitting."
Renewable energy sources such as solar, wind, hydroelectric and geothermal fluctuate over time, and storing this energy is a crucial task for creating a sustainable society. Water splitting can be used to transform energy into hydrogen that can then be combined with oxygen from the atmosphere in clean fuel cells or with carbon dioxide in the oceans or atmosphere to create raw materials for hydrocarbon fuels and materials.
Nakamura hopes to use this new knowledge to construct an electrochemical water splitting device that can operate at neutral pH, thus exploiting water as a resource to create new fuels.
For Nakamura, this work has exciting future potential. "As seen from a flower in a vase," he explains, "plants can use even tap water as a resource to make fuels. They do not need acid and base solutions. In other words, nature utilizes a safe, clean, and abundant form of water, thereby creating truly sustainable ecosystems. I hope that our findings will be able to contribute to the use of water at a neutral pH as a resource for generating renewable energy, which is one of the foundations for sustainable human societies."
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물 분해는 지구에 생명을 유지하는 중요한 반응 중 하나이며, 미래 연료의 생산을 위한 핵심이 될 수 있다. 햇빛을 에너지원으로 사용하여 물과 이산화탄소로부터 글루코스(glucose) 산소를 생산하는 식물의 광합성 과정에서도 핵심적인 반응이다. 그러나 아직 그 비밀은 완전히 밝혀지지 않았다. 자연에서의 물 분해 촉매는 철, 구리, 혹은 니켈 같이 풍부한 물질이 아닌 망간을 기반으로 하고 있는데, 매우 효율적이어서 과학자들은 오랫동안 그 비밀을 풀고자 노력해왔다. 
