광합성과 유사한 새로운 광 수집 시스템

일본 연구진은 2단계의 천연 광합성 방법을 기반으로 해서 효과적인 인공 광-수집 시스템을 개발했다.

과학자들은 광합성을 통해서 태양 에너지를 수확하는 식물의 방식을 모방하려고 노력하고 있다. 식물은 잎 속의 엽록소 분자로 만들어진 광 안테나를 사용해서 약한 태양광의 광자를 흡수할 수 있다. 이런 흡수 에너지는 식물이 설탕을 생성하는 반응 센터로 전달된다. 지금까지 매우 효율적인 천연 프로세스를 복제해서 만들어진 인공 시스템은 몇 개의 광 흡수체를 가진 단일 반응 센터로 제한되었고, 태양광과 같은 낮은 광자 수준을 가진 광원으로부터 충분한 에너지를 흡수할 수 없었다.

현재, 도쿄 공업 대학(Tokyo Institute of Technology), 도쿄 중앙 연구소(Toyota Central R&D Labs)의 연구진은 광합성의 천연 2 단계 프로세스를 기반으로 해서 효율적인 인공 광 수집 시스템을 만들었다. 새로운 시스템은 광 흡수체로서 인공적인 잎을 사용했는데, 이것은 금속 복합물을 통해서 에너지가 전달되게 한다.

“이것은 분자들이 너무나 작고 태양광이 너무 희석되어 있기 때문에 소위 광촉매와 같은 분자 장치를 사용해서 효율적인 태양 에너지 전환기를 만들기가 어렵다”고 Ishitani가 설명했다. “이러한 시스템은 수많은 분자 장치를 필요로 하는데, 이것은 고가이고 시간이 많이 소요된다. 태양광을 수집할 수 있는 능력을 가진 장치를 도입하는 것은 한 가지 유용한 방법이 될 것”이라고 Ishitani가 말했다. 

이번 연구진은 다중 광 흡수체를 가진 시스템을 만드는 것이 희석된 빛으로부터 더 많은 광자를 흡수할 수 있게 한다는 것을 증명했다. 다중 광 흡수체는 에너지 수용체와 연결된 안테나를 통해서 에너지를 전달할 수 있다. 이것은 에너지 손실을 줄일 수 있다.

이번 연구진은 소위 주기적 메조포러스 유기 실리카(periodic mesoporous organosilica)와 광을 흡수하는 비페닐(biphenyl)로 만들어진 튜브로 440여 개의 잎을 가진 장치를 만들었다. 주기적 메조포러스 유기 실리카-비페닐 복합체는 5개의 루테늄 금속 막대와 연결되었는데, 이것은 주기적 메조포러스 유기 실리카-비페닐에서 직접적으로 수집된 광 에너지를 중심 부위의 루테늄 구체에 전달했다. 이런 방식으로, 광원의 광자들은 매우 효율적으로 농축되었고, 루테늄 막대를 통해서 루테늄 반응 센터로 전달되었다. 이것은 에너지 손실이 거의 없었다.

이번 연구진은 새로운 시스템을 사용하는 일련의 테스트로 이 장치의 반응 센터가 인공 잎의 포토닉스 에너지를 전기로 방출할 수 있다는 것을 발견했다.

이 새로운 시스템은 더 나은 광촉매를 만드는데 사용될 수 있는데, 이것은 CO2 환원 및 물 산화 광촉매 등의 수많은 목적으로 사용될 수 있다. 그러나 이번 연구팀은 인공 광촉매가 이러한 시스템 속에 폭넓게 적용되기 전에 약간의 시간이 필요할 것이라고 언급했다. 왜냐하면 프로세스를 완성하기 위해서는 상당한 추가적인 연구와 개발이 필요하기 때문이다. 이 연구결과는 저널 Chemical Science에 “Efficient light harvesting via sequential two-step energy accumulation using a Ru?Re5 multinuclear complex incorporated into periodic mesoporous organosilica”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C3SC51959G).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 광합성과 유사한 새로운 광 수집 시스템