인공 광합성을 위한 테스트베드(Testbed)를 개발하다

[백경태]

미국의 로렌스버클리랩에서 인공 광합성을 위한 테스트베드(testbed)를 제안하였습니다. 태양에너지의 활용을 늘리기 위해서는 이의 전기화학에너지로의 효율적인 전환방법의 개발이 필요합니다.

 

대기의 탄소이산화물의 일상 농도가 인류역사상 최초로 400ppm에 도달함에 따라, 화석연료 에너지를 대체할 탄소가 없는 물질의 필요성이 점점 더 요구되고 있다. 일년간 모든 일상에 필요한 에너지가 전 세계 태양광 한시간 분량이면 충분하기 때문에, 태양기술들은 이상적인 해법으로 알려져 왔다. 그러나 주된 문제는 태양에너지를 대량으로 전기화학 에너지로 전환시키는 효율적인 방법들을 개발하는 것이다. 이런 문제를 해결하기 위한 해법은 미세 크기에서 에너지 전환 방법들을 시험하는 것이다.


인공 광합성 연합 센터 (JCAP)에서 연구하는 버클리 연구소 연구원들은 태양에 구동되는 전기화학적 에너지전환 시스템을 평가하고 최적화하기 위해 세계 최초로 전체적으로 집적화된 미세유체 테스트베드를 개발했다. 이 테스트베드 시스템은 물의 광전 전기분해에 대한 방법들을 연구하는데 이미 이용되어왔고, 제안된 인공 광합성과 연구 전지 기술들을 연구하기 위해 채용될 준비가 되어 있다.

연구원들은 모든 기능적인 성분들이 최적화를 위해 쉽게 교환되고 조절되는 물분리를 위한 미세유체 전해조를 시험했다고 버클리 연구소 재료과학 분과의 연구원 Joel Ager가 말했다. 이는 대형시스템에 적용될 수 있는 전략들을 작은 크기의 시스템에서 시험할 수 있게 해준다.

2억년 이상 동안 자연계는 물을 산소 분자로 산화시키기 위해 광합성을 이용해왔다. 광합성의 인공 버전는 태양기술의 가장 유망한 기술의 하나로 언급된다. JCAP의 임무는 가솔린, 디젤 등의 탄화수소나 수소와 같은 저장가능 연료들을 생산하는 것과, 자연에 비해 비효율적인 나노공학 물질들로 만들어진 특별한 멤브레인들을 통해 인공 광합성 소자를 개발하는 것이다.

인공 광합성 시스템의 작동 원리는 전하들이 전극으로 이동하고, 작용물질들이 촉매 센터들에 제공되고, 생성물질이 배출되고, 전해질에서 촉매 센터로 그리고 채널들을 가로질러 이온 이동이 일어날 필요가 있는 산화환원 흐름 배터리와 연료전지들과 비슷하다. 태양에너지를 수소로 전환하는 높은 효율을 이룬 수많은 인공 광합성 실험들에도 불구하고 상대적으로 적은 수만이 양극과 음극의 화학적 분리 등의 구동 원리를 모두 포함했다.

연구원들에 의해 개발된 미세유체 테스트베드는 미세 제조된 칩의 외부에 패턴된 거대 접촉을 통해 연결되고 독립적으로 접속되는 서로 다른 양극과 음극 물질들을 가능하게 한다. 전하 이동은 이온전도 폴리머 멤브레인을 통해 일어나고, 전기분해 발생물들은 분리된 흐름으로 생성되고 모아지게 된다. 이런 일반적인 디자인은 음극과 양극에서 선택적인 촉매와 크로스오버 손실 최초화 및 반응물들의 관리된 이동을 제공한다.

이 디자인의 실험적 현실화하기 위해, 19개의 나란한 채널들을 8평방 밀리미터 활동영역을 가지는 각 소자 내에 제작하였다. 미세 제작된 칩들은 만들기 상대적으로 쉬워 연구원들은 성능을 최적화하기 위해 크기와 물질을 쉽게 변화시킬 수 있다.


<그림 설명>
: 개발된 미세유체 테스트베드이다. 화학적으로 비활성 벽(적색)은 O2와 H2가 물분자 분리에 의해 생성되는 음극과 채널로부터 양극을 분리한다. 양이온 (H+)은 O2와 H2 생산물질 흐름의 상호혼합을 막는 멤브레인 캡을 통해 한쪽 채널에서 다른 채널들로 전도된다.

출처 : http://www.rdmag.com/news/2013/06/researchers-build-testbed-artificial-photosynthesis
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』