메뉴 건너뛰기

독일·한국 연구진, 광합성 명반응 구현
영국 연구진은 인공 잎으로 연료 생산

식물은 빛을 이용해 광합성을 한다. 최근 광합성을 모방한 '인공 광합성' 연구 성과가 잇따라 나왔다./pixabay


식물은 햇빛을 받고 물과 이산화탄소로부터 포도당과 산소를 만든다. 바로 광합성이다. 과학자들은 식물을 모방해 온실가스인 이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 ‘인공 광합성’ 기술을 연구해 왔다. 최근 국내외 두 연구진이 인공 광합성의 핵심 단계를 구현해 실용화 가능성을 높였다.

독일과 한국 공동 연구진은 빛을 받아 전자를 이동하는 광합성의 핵심 과정을 인공적으로 구현했다. 앞서 영국 연구진은 햇빛을 이용해 연료를 생산하는 데 성공했다. 모두 태양에너지를 이용한 지속 가능한 기술을 개발하는 과정에서 중요한 성과로 평가된다.

광합성 원리 모방한 인공 엽록소 개발
프랑크 뷔르트너(Frank Würthner) 독일 뷔르츠부르크대 유기화학연구소 교수와 김동호 연세대 화학과 교수 공동 연구진은 광합성의 첫 번째 과정인 명반응(明反應)을 인공적으로 구현하는 데 성공했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 화학(Nature Chemistry)’에 14일 게재됐다.

광합성은 식물 세포 안에서 다양한 색소와 단백질, 분자가 상호작용하며 진행되는 복잡한 과정이다. 크게 두 단계로 진행되는데, 태양광을 흡수해 전자를 활성화하는 명반응과 활성화된 전자를 이용해 이산화탄소를 유기물로 전환하는 암반응(暗反應)이다.

식물은 명반응에서 엽록소라는 색소를 이용해 태양광을 흡수한 후, 내부에서 전자가 이동하도록 유도해 전류를 만든다. 연구진은 이를 모방하기 위해 ‘페릴렌 비스이비드(perylene bisimide)’ 계열의 염료 분자를 쌓아 엽록소와 비슷한 거대 분자체를 만들었다.

분자체가 빛을 받으면 전자가 한쪽에서 다른 쪽으로 빠르게 이동하며 전류를 만들었다. 식물의 광합성에서는 이 전자들이 광계라는 단백질 복합체를 따라 이동하면서 생체 에너지를 만들지만, 연구진은 이를 인공적으로 조절할 수 있도록 설계했다.

리앤더 에른스트 뷔르츠부르크대 연구원은 “빛을 받아 전자를 빠르고 효율적으로 이동시킬 수 있다는 점을 확인했다”며 “인공 광합성 개발을 위한 중요한 단계”라고 했다. 김동호 연세대 교수는 “인공 엽록소에서는 실제 식물 엽록소에서 전자가 이동하는 속도와 비슷하게 1조분의 1초의 속도로 전자가 이동한다”고 설명했다.

연구진은 염료 분자 네 개로 이뤄진 나노 시스템을 확장해 ‘초분자 전선(ㅍ)’을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 초분자 전선은 태양광으로 만든 전기에너지를 더욱 신속하고 효율적으로 장거리 운반할 수 있는 구조로, 인공 광합성을 위한 핵심 요소로 활용될 전망이다.

구리(황금색) 나노 플라워 상상도. 이산화탄소와 반응해 연료를 만든다./영 케임브리지대

인공 잎이 태양광으로 연료 합성
영국 케임브리지대 연구진은 지난 2월 국제 학술지 ‘네이처 촉매(Nature Catalysis)’에 인공 잎으로 에틸렌과 에탄 같은 탄화수소 연료를 생산했다고 발표했다. 기존의 연구들은 태양에너지를 활용해 물을 분해하고 수소를 생산하는 데 집중했지만, 영국 연구진은 더 높은 에너지 밀도를 가진 탄화수소 연료를 생산했다.

일반적으로 탄화수소 연료는 일산화탄소와 수소가 고온에서 반응해 만들어진다. 연구진은 인공 광합성을 이용하면 환경에 해를 주지 않고 효율적인 방식으로 연료를 생산할 수 있다고 생각했다.

인공 광합성에는 꽃처럼 생긴 미세 구리 구조체인 ‘구리 나노플라워’ 촉매가 사용됐다. 구리 나노 플라워는 빛을 받은 전자를 효과적으로 모아 이산화탄소와 물을 에틸렌과 에탄으로 변환하는 역할을 한다. 연구를 주도한 버질 안드레이 케임브리지대 연구원은 “구리 촉매의 나노구조를 조절하면 생산할 수 있는 탄화수소의 종류도 달라진다”며 “연료뿐만 아니라 플라스틱 및 화학 산업에도 응용될 가능성이 크다”고 설명했다.

인공 광합성으로 연료를 생산하면 ‘탄소 중립 연료’를 만들 수 있다. 연료가 타면서 배출되는 이산화탄소를 다시 포집해 연료로 만들면, 추가적인 탄소 배출 없이 지속적으로 사용할 수 있는 친환경 에너지원이 될 수 있다.

얀웨이 룸 싱가포르국립대 교수는 “개념적으로 기술이 작동한다는 것을 보여줬지만, 아직 실용적인 연료 생산을 위해서는 성능 개선이 필요하다”고 지적했다. 연구진 또한 “장치의 내구성과 효율성을 높이는 것이 중요한 과제”라며 “향후 5~10년 이내에 인공 광합성 기술이 본격적으로 상용화될 것”이라고 전망했다.

참고 자료

Nature Chemistry(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41557-025-01770-7

Nature Catalysis(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-025-01292-y

조선비즈

번호 제목 글쓴이 날짜
45065 부산서 베트남인 마약사범 급증…이유는 랭크뉴스 2025.03.17
45064 ‘14조 거부’ 김병주 회장, 이례적 사재출연… 변제금액 최대 5000억이나 실제론 못 미칠 듯 랭크뉴스 2025.03.17
45063 최상목, 4년 전 저서 “이사, 전체 주주 이익 위해 일해야” 랭크뉴스 2025.03.17
45062 [속보] 경찰 "김성훈 경호차장 구속영장 오늘 오후 재신청" 랭크뉴스 2025.03.17
45061 '민감국가' 與 핵무장론 때린 이재명…2년전 尹 실제발언 어땠나 랭크뉴스 2025.03.17
45060 “하다하다 농약 분무기 주스까지” 백종원 더본코리아 또 최저가 기록 랭크뉴스 2025.03.17
45059 직장인 3명 중 2명 “이직 때 평판조회 빈번”…부당한 일 당해도 문제제기 못해 랭크뉴스 2025.03.17
45058 의대교수들 “의사면허 하나로 전문가 대접 원해”…복귀 거부 전공의 질타 [전문] 랭크뉴스 2025.03.17
45057 엔비디아 개발자 행사 앞둔 SK하이닉스, 순매수 1위[주식 초고수는 지금] 랭크뉴스 2025.03.17
45056 김새론 측, 기자회견 예고…“내용증명 관련 새 증거 있어” 랭크뉴스 2025.03.17
45055 ‘1100억원대 사기’ 혐의 빗썸 실소유주, 대법서 무죄 확정 랭크뉴스 2025.03.17
45054 경찰 "이철규 아들에 대마 제공한 혐의 1명 검거…불구속 수사" 랭크뉴스 2025.03.17
45053 ‘굿데이’ 제작진, “김수현 분량 최대한 편집…개별 녹음과정 방송 않을 것” 랭크뉴스 2025.03.17
45052 인천공항서 쓰러진 베트남 임신부, 결국 구급차 분만 랭크뉴스 2025.03.17
45051 권영세 “친중반미 이재명이 유력 대권 후보라 민감국가 지정” 랭크뉴스 2025.03.17
45050 뉴욕 거리에서 행인에게 액체 뿌리고 방화…얼굴과 팔 등에 화상 랭크뉴스 2025.03.17
45049 홍준표 “탄핵 결정도 안 났는데 이재명 띄우기 기승” 랭크뉴스 2025.03.17
45048 한화오션, 2.3조원 규모 컨테이너선 6대 수주...'역대 최고가' 랭크뉴스 2025.03.17
45047 정부, ‘민감국가’ 대응 논의…“한미협력 영향 없도록 적극 설명” 랭크뉴스 2025.03.17
45046 스웨덴 연구소 "한국 독재화 진행 중" 진단‥민주주의도 작년보다 한 단계 후퇴 랭크뉴스 2025.03.17