대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지공학과 박치영 교수팀이 나노 소재를 활용한 초분자 형광 나노 복합체 제조 기술을 개발하고 이를 바탕으로 지속 가능한 태양광 유기, 바이오 수소 생산 시스템 구축에 성공했다고 25일 밝혔다.
경북대학교 수소및신재생에너지학과 차효정 교수팀과 공동연구를 통해 탄닌산 기반 금속-폴리페놀 고분자의 우수한 나노 표면 흡착 특성을 활용해 형광 염료의 자가 조립, 광학적 성질을 제어하고 광여기(빛 에너지를 이용해 어떤 물질의 전자를 더 높은 에너지 상태로 이동시키는 과정)와 전자 전달 메커니즘을 규명했다. 이를 바탕으로 수소화효소를 가진 박테리아를 활용한 태양광 기반 바이오 수소 생산 시스템을 구현했다.
자연의 광합성에서 엽록소는 빛 에너지를 흡수하고 전자를 전달해 화학 에너지로 전환한다. 이를 모방한 인공광합성 기술은 태양광을 활용해 수소와 같은 유용한 자원을 생산할 수 있어 지속 가능한 에너지 솔루션으로 주목받고 있다.
박치영 교수팀은 기존 형광 염료인 ‘로다민(Rhodamine)’을 자연계 엽록소처럼 양친매성 구조로 변형해 전자를 전달할 수 있는 초분자 광촉매를 개발했다. 여기에 탄닌산을 활용한 금속-폴리페놀 나노 코팅 기술을 적용해 성능과 내구성을 높였다. 그 결과 태양광 가시광선 환경에서 촉매 1g이 시간당 약 18.4 mmol의 수소를 생산하는 성능을 기록했다. 이는 기존 동일 형광체를 사용한 연구 대비 약 5.6배 향상된 수치이다.
연구팀은 새로 개발한 초분자 염료체와 전자를 전달할 수 있는 능력을 가진 박테리아를 결합해 태양광으로 아스코르브산(비타민 C)을 수소로 전환하는 바이오 복합 시스템을 구축했다. 이 시스템은 장시간 안정적으로 작동하며 연속적인 수소 생산이 가능함을 입증했다.
박치영 교수는 “이번 연구는 유기 염료와 인공광합성의 구체적 메커니즘을 밝히는 중요한 성과”라며 “앞으로 기능성 미생물과 신소재를 결합한 새로운 초분자화학 기반 시스템 관련 후속 연구를 수행할 계획”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실사업, 중견연구자지원사업 및 산업통상자원부 알키미스트 과제의 지원으로 수행됐다. 연구결과(제1저자 부석형 박사과정생)는 안게반테 헤미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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