태양열로 구동되는 "인공 잎사귀"는 햇빛으로부터 깨끗하고 차량용 액체 연료를 생산합니다

[이매진]

태양열로 구동되는 "인공 잎사귀"는 햇빛으로부터 깨끗하고 차량용 액체 연료를 생산합니다

https://scitechdaily.com/solar-powered-artificial-leaf-produces-clean-car-ready-liquid-fuels-from-sunlight/

Solar Powered “Artificial Leaf” Produces Clean, Car-Ready Liquid Fuels From Sunlight

금속 막대 지지대에 부착된 독립형 인공 잎. 광양극 면(녹색 사각형)이 사진에서 보입니다. 크레딧: Motiar Rahaman

캠브리지 대학의 과학자들은 햇빛으로 동력을 공급받아 CO2와 물을 에탄올과 프로판올로 전환시키는 '인공 잎'을 개발했습니다. 이 혁신은 합성 가스 생산의 중간 단계를 제거하여 기술을 보다 실용적으로 만들고 지속 가능한 탄소 배출량 제로 미래를 위한 길을 열어줍니다.

연구원들은 이산화탄소와 물을 드롭인 연료로 자동차 엔진에 직접 추가할 수 있는 액체 연료로 변환하는 태양열 기술을 개발했습니다.  

캠브리지 대학의 연구원들은 광합성 의 힘을 이용하여 CO 2 , 물 및 햇빛을 단일 단계에서 다중 탄소 연료인 에탄올 및 프로판올로 전환했습니다. 이러한 연료는 높은 에너지 밀도를 가지며 쉽게 저장하거나 운반할 수 있습니다.

화석 연료와 달리 이 태양 연료는 순 탄소 배출량이 없고 완전히 재생 가능하며 대부분의 바이오에탄올과 달리 식량 생산에서 농지를 전환하지 않습니다.

이 기술은 아직 실험실 규모이지만 연구원들은 '인공 잎'이 화석 연료 기반 경제에서 벗어나는 중요한 단계라고 말합니다. 결과는 Nature Energy 저널에 보고되었습니다  .

바이오에탄올은 화석 연료 대신 식물로 만들어지기 때문에 휘발유보다 더 깨끗한 대안으로 각광받고 있습니다. 오늘날 도로 위를 달리는 대부분의 승용차와 트럭은 최대 10%의 에탄올(E10 연료)이 함유된 휘발유로 운행됩니다. 미국은 세계 최대의 바이오에탄올 생산국입니다. 미국 농무부에 따르면   미국에서 재배되는 모든 옥수수의 거의 45%가 에탄올 생산에 사용됩니다.

연구를 이끈 Erwin Reisner 교수는 “에탄올과 같은 바이오연료는 논란의 여지가 있는 기술입니다.

태양광 아래에서 작동하는 인공 잎이 있는 광반응기. 크레딧: Motiar Rahaman

수년 동안 Yusuf Hamied 화학과에 기반을 둔 Reisner의 연구 그룹은 인공 잎을 사용하여 식물이 햇빛을 음식으로 전환하는 과정인 광합성에서 영감을 얻은 지속 가능한 무탄소 연료를 개발해 왔습니다.

지금까지 이러한 인공 잎은 연료, 의약품, 플라스틱 및 비료를 생산하는 데 사용되는 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성 가스와 같은 단순한 화학 물질만 만들 수 있었습니다. 그러나 기술을 보다 실용적으로 만들기 위해서는 단일 태양광 발전 단계에서 더 복잡한 화학 물질을 직접 생산할 수 있어야 합니다.

이제 인조잎은 합성가스를 생산하는 중간 단계 없이 깨끗한 에탄올과 프로판올을 직접 생산할 수 있다.

연구원들은 구리 및 팔라듐 기반 촉매를 개발했습니다. 촉매는 인공 잎이 더 복잡한 화학 물질, 특히 다중 탄소 알코올인 에탄올과 n-프로판올을 생산할 수 있도록 최적화되었습니다. 두 알코올 모두 쉽게 운반하고 저장할 수 있는 고에너지 밀도 연료입니다.

다른 과학자들도 전력을 이용해 유사한 화학물질을 생산한 적은 있지만, 태양에너지만을 이용해 인공잎으로 이렇게 복잡한 화학물질을 생산한 것은 이번이 처음이다.

"인공 잎에 햇빛을 비추고 이산화탄소와 물에서 액체 연료를 얻는 것은 놀라운 화학 작용입니다."라고 이 논문의 첫 번째 저자인 Motiar Rahaman 박사는 말했습니다.  “보통 인조잎 장치를 이용해 CO2를 다른 화학제품으로 전환하려 하면 거의 일산화탄소나 합성가스를 얻게 되는데, 여기서는 태양의 힘만으로 실용적인 액체연료를 생산할 수 있게 됐다 . . 이는 우리 작업에서 완전히 새로운 길을 열어주는 흥미로운 발전입니다.”

현재 이 장치는 개념 증명이며 약간의 효율성만 보여줍니다. 연구원들은 햇빛을 더 잘 흡수할 수 있도록 광 흡수체를 최적화하고 더 많은 햇빛을 연료로 전환할 수 있도록 촉매를 최적화하기 위해 노력하고 있습니다. 대량의 연료를 생산할 수 있도록 장치를 확장 가능하게 만드는 추가 작업도 필요합니다.

"아직 해야 할 일이 있지만 우리는 이 인공 잎이 무엇을 할 수 있는지 보여주었습니다."라고 Reisner는 말했습니다. "우리가 가장 단순한 분자를 넘어 화석 연료에서 전환함에 따라 직접적으로 유용한 것을 만들 수 있다는 것을 보여주는 것이 중요합니다."

참조: "독립형 페로브스카이트-BiVO4 인공 잎을 사용한 태양열 구동 액체 다중 탄소 연료 생산" 2023년 5월 18일, Nature Energy .

이 연구는 부분적으로 유럽 위원회 Marie Skłodowska-Curie Fellowship, the Cambridge Trust 및 Winton Program for the Physics of Sustainability의 지원을 받았습니다. Erwin Reisner는 펠로우이고 Motiar Rahaman은 케임브리지에 있는 St John's College의 연구원입니다.