| [미국] 반도체 나노와이어와 박테리아의 결합을 통한 액체 연료 생산
일광만을 이용하여 휘발유와 천연가스를 만들 수 있는 인공 식물을 생성한다고 상상해보자. 그리고 이러한 연료가 대기로 온실가스를 배출하지 않으면서 자동차를 운행하거나 가정에 난방을 제공하는 데 사용할 수 있는 연료로 활용될 수 있다면 인간에게 직면한 에너지 문제와 환경 문제를 해결하는 데 큰 기여를 할 것이다. 미국 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley) 소속의 연구진은 나노과학과 생물학을 결합함으로써 액체 연료를 생산할 수 있는 방안을 고안하는 데 큰 성과를 달성했다.
동 대학 화학과 교수이며 카블리 에너지 나노과학 연구소(Kavli Energy NanoSciences Institute) 공동 책임자인 Peidong Yang은 반도체 나노와이어(semiconducting nanowires)와 박테리아(bacteria)의 조합을 이용하여 천연가스의 주요 구성 원소인 메탄(methane)을 생성하는 인공 잎(artificial leaf)을 생성했다. 관련 연구는 미국 국립과학원회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences) 온라인 판에 "태양을 화학적으로 전환하는 하이브리드 생물 무기화학적 접근(Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion)“이라는 제목으로 발표됐다. 이 연구는 Yang과 동료 연구진이 최근에 고안했던 다양한 생화학적 빌딩 블록과 휘발유의 구성 원소인 부탄올을 생산하는 유사한 하이브리드 시스템 위에 구축됐다.
이 연구는 일광, 이산화탄소 및 물 등을 당으로 전환시키기 위한 식물의 능력을 기반으로 하는 태양 발전의 유형인 합성 광합성(synthetic photosynthesis)에 대한 중요한 개선이다. 그러나 합성 광합성은 당을 생산하는 대신 몇 달 또는 몇 년 동안 저장될 수 있으며, 기존의 에너지 사회기반시설을 통하여 분배될 수 있는 액체 연료(liquid fuels)를 생산하는 방안을 모색하고 있다.
합성 광합성의 미래와 그의 최근 혁신에 대한 논의를 수행한 회의에서, Yang은 연구팀이 개발한 하이브리드 무기/생물학적 시스템이 과학자들에게 광합성을 연구하고, 광합성의 비밀을 배우는 데 새로운 도구를 제공할 것이라고 밝혔다.
과학자들이 일광으로부터 효율적으로 전자를 생성하는 것에는 숙련되어 있지만, 화학적 합성이 항상 개발된 시스템을 제한하고 있다. 이 실험의 한 가지 목적은 연구진이 반도체 기술과 박테리아성 촉매를 통합할 수 있다는 것을 보여주는 것이다. 이러한 통합은 실제적인 합성 광합성 시스템을 이해하고 최적화할 수 있게 만들어 준다고 Yang은 밝혔다.
자연적인 광합성은 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 삶을 지탱하기 위하여 고부가가치의 화학제품으로 전환시킨다. 연구진은 생체에 적합한 무기 촉매를 이용하여 물 분해로부터 수소 생산을 추진하기 위하여 지속 가능한 전기 또는 태양 주입을 통해 이산화탄소와 물을 화학물질로 전환하는 하이브리드 생물 무기화학적 접근을 제시했다. 이후 수소는 이산화탄소를 고부가가치의 화학제품인 메탄으로 전환하기 위한 환원 당량(reducing equivalent) 공급원으로 살아 있는 세포에 의해 사용된다.
이산화탄소 고정을 위한 생물 촉매로 Methanosarcina barkeri와 생체에 적합한 수소 발생 반응(HER; hydrogen evolution reaction) 전기촉매로 백금 또는 지구상에 풍부한 치환체인 α-NiS를 이용하여, 연구진은 ≥7 d에 대하여 86%의 전체 패러데이 효율로 이산화탄소를 메탄으로 전환시킬 수 있다는 것을 증명했다.
인화 인듐(indium phosphide) 광음극과 이산화티탄 광양극의 도입은 물과 이산화탄소로부터 메탄을 생성하기 위한 완전한 태양 추진 시스템을 제공할 수 있었다.
화석 연료를 연소시키는 것은 자연적인 광합성이 이산화탄소를 대기로 배출하는 것보다 훨씬 더 빠르게 대기로 이산화탄소를 추가할 것이다. 인간이 대기로 연소시켜 배출시키는 모든 이산화탄소를 끌어당겨서 연료로 전환시킬 수 있는 시스템은 사실상 탄소 중성이라고 회의에 참여한 Thomas Moore는 밝혔다. Moore는 애리조나 국립대학(Arizona State University) 화학 및 생화학과 교수로 과거 바이오에너지 및 광합성 연구소(Center for Bioenergy & Photosynthesis)의 책임자였다.
궁극적으로, 연구진은 자연의 복제품 대신 보다 더 견고하고 효율적인 완전한 합성 시스템을 생성하기를 희망하고 있다. 이것을 수행하기 위하여, 연구진은 물과 이산화탄소를 실온에서 당으로 전환시키는 촉매에 대한 최적의 디자인을 연구하는 모델 시스템을 확보할 필요가 있다.
이것은 자연을 직접 또는 문헌학적으로 모방하는 것은 아니라고 캐나다 토론토 대학(University of Toronto) 응용과학 및 공학부 소속인 Ted Sargent는 밝혔다. 그 대신 자연의 지침을 학습하고, 자연의 법칙이 어떻게 효율적이고 선택적인 촉매를 만드는지 이후 이러한 견해를 이용하여 보다 더 공학적으로 우수한 해결방안을 생성하는 것이라고 Sargent는 밝혔다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 14일]
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By combining semiconducting nanowires and bacteria to produce liquid fuel
Imagine creating artificial plants that make gasoline and natural gas using only sunlight. And imagine using those fuels to heat our homes or run our cars without adding any greenhouse gases to the atmosphere. By combining nanoscience and biology, researchers led by scientists at University of California, Berkeley, have taken a big step in that direction.
Peidong Yang, a professor of chemistry at Berkeley and co-director of the school's Kavli Energy NanoSciences Institute, leads a team that has created an artificial leaf that produces methane, the primary component of natural gas, using a combination of semiconducting nanowires and bacteria. The research, detailed in the online edition of Proceedings of the National Academy of Sciences in August ("Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion"), builds on a similar hybrid system, also recently devised by Yang and his colleagues, that yielded butanol, a component in gasoline, and a variety of biochemical building blocks.
The research is a major advance toward synthetic photosynthesis, a type of solar power based on the ability of plants to transform sunlight, carbon dioxide and water into sugars. Instead of sugars, however, synthetic photosynthesis seeks to produce liquid fuels that can be stored for months or years and distributed through existing energy infrastructure.
In a roundtable discussion on his recent breakthroughs and the future of synthetic photosynthesis, Yang said his hybrid inorganic/biological systems give researchers new tools to study photosynthesis -- and learn its secrets.
"We're good at generating electrons from light efficiently, but chemical synthesis always limited our systems in the past. One purpose of this experiment was to show we could integrate bacterial catalysts with semiconductor technology. This lets us understand and optimize a truly synthetic photosynthesis system," he told The Kavli Foundation.
The stakes are high.
"Burning fossil fuels is putting carbon dioxide into the atmosphere much faster than natural photosynthesis can take it out. A system that pulls every carbon that we burn out of the air and converts it into fuel is truly carbon neutral," added Thomas Moore, who also participated in the roundtable. Moore is a professor of chemistry and biochemistry at Arizona State University, where he previously headed the Center for Bioenergy & Photosynthesis.
Ultimately, researchers hope to create an entirely synthetic system that is more robust and efficient than its natural counterpart. To do that, they need model systems to study nature's best designs, especially the catalysts that convert water and carbon dioxide into sugars at room temperatures.
"This is not about mimicking nature directly or literally," said Ted Sargent, the vice-dean of research for the Faculty of Applied Science and Engineering at University of Toronto. He was the third participant in the roundtable.
"Instead, it is about learning nature's guidelines, its rules on how to make a compellingly efficient and selective catalyst, and then using these insights to create better-engineered solutions."
"Today, nature has us beat," Sargent added. "But this is also exciting, because nature proves it's possible."
Read the full conversation with Yang, Sargent and Moore on The Kavli Foundation website.
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