인공 광합성에 더 가까이…전하 저장하는 분자 개발

올리버 S. 웽어 스위스 바젤대 화학과 교수 연구팀이 개발한 특수 분자 이미지. 바젤대 제공.

식물이 태양 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 과정을 광합성이라 부른다. 결과물인 포도당은 생명활동에 필요한 에너지에, 산소는 호흡에 활용된다. 과학자들이 인공 광합성 연구에 중요한 전환점이 될 특수 분자를 개발했다. 빛을 받으면 2개의 양전하와 2개의 음전하를 저장하는 특수 분자다. 

올리버 S. 웽어 스위스 바젤대 화학과 교수 연구팀은 빛을 받아 동시에 두 개의 양전하와 두 개의 음전하를 저장할 수 있는 특수 분자를 개발하고 연구결과를 국제학술지 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry)'에 25일(현지시간) 발표했다.  

연구팀은 이런 자연 광합성의 원리를 모방하는 인공 광합성 연구를 진행했다. 인공 광합성은 빛에너지를 이용해 이산화탄소나 물로부터 수소나 메탄올 같은 유용한 연료를 얻는 과정이다. 

인공 광합성을 제대로 구현하려면 화학반응에 필요한 전하를 안정적으로 분리하고 저장하고 이동시켜야 한다. 전하는 느리게 이동하거나 이동하는 과정에서 정공과 만나 금세 소멸하기도 한다. 유용한 연료를 얻는 반응에 필요한 충분한 전하를 얻기가 어려웠다.

웽어 교수 연구팀은 새로운 방식으로 기존 기술의 한계를 돌파했다. 햇빛 강도에서도 작동 가능한 분자를 설계해 두 번의 빛 자극만으로 네 개의 전하(양전하 2개, 음전하 2개)를 동시에 저장하는 데 성공했다. 인공 광합성 전체 과정을 완성하는 데 필요한 중요한 퍼즐 조각이 맞춰졌다는 평가다. 

연구팀은 두 번의 빛 자극으로 전하를 축적하는 방식을 택했다. 첫 번째 빛이 닿으면 양전하와 음전하 하나씩이 생성돼 분자의 양 끝에 저장된다. 이어 두 번째 빛이 닿으면 같은 반응이 반복돼 최종적으로 두 개의 양전하와 두 개의 음전하가 모인다.

이번 연구성과는 실제 햇빛과 비슷한 세기의 약한 빛에서도 작동한다는 점에서 의미가 크다. 저장된 전하는 충분히 오래 안정적으로 유지돼 물 분해나 이산화탄소 환원 같은 연료 합성 반응에 활용될 수 있다.

연구팀이 개발한 특수 분자는 일종의 ‘분자 배터리’로, 햇빛을 받아 전기를 일시적으로 저장할 수 있는 구조를 갖추고 있다. 연구팀은 이렇게 저장된 전하를 활용하면 물을 분해해 수소를 얻고, 이를 바탕으로 친환경 휘발유나 메탄올과 같은 합성 연료를 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

웽어 교수는 “아직 완전한 인공 광합성 시스템을 구현한 것은 아니지만 중요한 퍼즐 조각을 찾아냈다”며 “이번 연구가 지속가능한 에너지 미래로 가는 새로운 가능성을 열어주길 기대한다”고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]