DNA를 정밀 나노소재로…수소 생산 전환 효율 개선
국내 연구팀이 유전물질인 디옥시리보핵산(DNA)을 맞춤형으로 설계하고 촉매 코팅재로 활용해 수소 생산 반응과 유용 화학물질 생성 효율을 개선하는 데 성공했다.
KAIST는 박지민 생명화학공학과 교수팀이 금 나노입자 촉매 표면에 단일가닥 DNA를 입혀 촉매 주변 화학 환경을 정밀 제어하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구결과는 5월 5일(현지시간) 국제학술지 '미국화학회지(JACS)'에 공개됐다.
수소 생산이나 화학제품 제조에 쓰이는 전기화학 반응 효율은 촉매뿐 아니라 촉매 주변의 산성도(pH)와 이온 분포 등 미세환경이 좌우한다. 그동안 특수한 고분자 코팅재가 미세환경 조절해 쓰였지만 코팅재 내부 구조를 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 설계하는 것은 어려웠다.
연구팀은 DNA가 음전하를 띠고 있어 주변 이온 이동에 영향을 줄 수 있다는 사실에 주목했다. DNA는 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있다.
금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합하고 전기화학 반응을 분석한 결과 촉매 성능이 DNA 염기서열에 따라 형성되는 구조에 큰 영향을 받는다는 사실이 확인됐다. 코팅층 두께가 같더라도 DNA 염기서열에 따라 반응하는 이온의 이동 경로가 달라진다는 뜻이다.
레이저로 분자의 화학적 상태를 실시간으로 분석하는 '표면증강라만분광법'으로 반응 과정을 살핀 결과 DNA층이 수산화이온(OH-)의 이동을 조절해 촉매 주변에서 국소적으로 pH를 변화시킨다는 사실이 확인됐다.
DNA 코팅 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응에 적용한 결과 DNA 염기서열에 따라 수소 생산 효율이 달라지고 글리세르산 생성 선택도가 향상됐다. 글리세롤은 바이오디젤 생산 과정의 부산물로 화장품·의약품 원료로 쓰이는 글리세르산으로 전환될 수 있다.
연구팀은 "복잡한 전기화학 반응에서 원하지 않는 부반응을 줄이고 원하는 생성물로 반응을 유도하는 전략이 더 체계적으로 발전할 것으로 기대한다"고 말했다.
박 교수는 "DNA를 유전정보 저장체가 아닌 전기화학 반응을 제어하는 정밀 나노소재로 활용할 수 있음을 보여준 사례"라며 "연구결과는 향후 수소 생산과 재생 가능한 생물자원인 바이오매스 전환 등 탄소중립 기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
<참고 자료>
- doi.org/10.1021/jacs.6c02995
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]
Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.