광자 동력 연금술: 빛이 화석 연료 화학을 어떻게 다시 쓰는가

콜로라도 주립대(CSU) 연구팀은 광합성을 모방하여 실온에서 강력한 화석 연료 화합물을 분해하는 광에너지 화학 공정을 개발했습니다. 이를 통해 더욱 깨끗하고 에너지 효율적인 제조가 가능해질 것으로 기대됩니다. 출처: Shutterstock.com

콜로라도 주립대학교 연구진은 화석 연료를 유용한 현대 화학물질로 전환하는 새롭고 효율적인 광 기반 공정을 기술한 논문을 Science 에 발표했습니다 . 이 논문에서 연구진은 유기 광산화환원 촉매 시스템이 실온에서도 효과적이라고 보고했습니다. 이러한 장점은 다양한 화학 물질 제조 과정에서 에너지 소비량을 줄이고 관련 오염을 줄이는 등 여러 가지 이점을 제공할 수 있습니다.

이 연구는 콜로라도 주립대 화학과와 지속가능 광산화환원 촉매 센터(SuPRCat)의 가렛 미야케 교수와 로버트 패튼 교수가 주도하고 있습니다. 광합성에서 영감을 받은 이 시스템은 가시광선을 이용하여 화합물의 특성을 미세하게 변화시킵니다. 두 개의 서로 다른 광자(빛 입자)에 노출시켜 원하는 반응에 필요한 에너지를 생성합니다. 미야케 교수는 단일 광자는 일반적으로 이러한 과정에 필요한 에너지를 충분히 전달하지 못한다고 설명했습니다. 두 개의 빛 입자에서 나오는 에너지를 결합함으로써, 연구진의 시스템은 초환원 반응(강력한 결합을 끊거나 전자를 추가하는 데 많은 에너지가 필요한 화학 변화)을 쉽게 수행할 수 있습니다.

미야케는 자신들의 시스템이 방향족 탄화수소(아렌이라고도 함)라는 화학 화합물군을 대상으로 시험되었다고 밝혔습니다. 이 화합물들은 일반적으로 변화에 강합니다.

미야케는 "이 기술은 화석 연료의 벤젠과 같은 아렌을 환원하여 플라스틱과 의약품에 필요한 화학물질을 생산하는 데 현재 사용 가능한 가장 효율적인 시스템입니다."라고 말했습니다. "일반적으로 이러한 반응을 생성하는 것은 원래 결합이 매우 강하기 때문에 어렵고 에너지도 많이 소모됩니다."

이 연구는 콜로라도 주립대학교(CSU) 산하 미국 국립과학재단(NSF)의 지속가능 광산화환원촉매센터(Center for Sustainable Photoredox Catalysis)에서 진행 중인 연구를 계속 진행하고 있습니다. 미야케 박사는 화학 합성 공정을 다양한 용도로 혁신하기 위한 이 다기관 연구 프로젝트의 책임자입니다.

이 연구를 지원한 NSF 화학혁신 센터 프로그램의 프로그램 디렉터인 캐서린 코버트는 광산화환원 촉매가 많은 산업에 없어서는 안 될 요소가 되었다고 말했습니다.

"광산화환원 촉매는 제약 개발 및 기타 산업에 필수적인 요소가 되었습니다."라고 Covert는 말했습니다. "NSF 지속가능 광산화환원 촉매 센터를 통해 합성 화학자와 계산 화학자들은 협력하여 이러한 촉매의 근본적인 화학적 특성을 이해하고, 이를 통해 열과 에너지를 덜 소모하는 새로운 방법을 발견했습니다."

미야케는 센터의 연구원들이 비료용 암모니아의 에너지 효율적인 생산, PFAS 영구 화학 물질의 분해, 플라스틱의 업사이클링을 지원하기 위해 이 논문에 설명된 것과 유사한 촉매 시스템을 개발하고 있다고 말했습니다.

미야케는 "우리는 이러한 과제를 해결하고 이 세상의 더욱 지속 가능한 미래를 만들기 위해 올스타 화학자 팀을 구성했습니다."라고 말했습니다. "세상에는 시간이 흐르고 있으며, 우리는 현재 방식으로는 회복 불가능한 지경에 이르기 전에 지속 가능한 기술 개발이라는 시급한 필요성을 충족해야 합니다."

CU 볼더의 닐스 담라우어 교수 역시 이 논문의 저자이며, 센터 회원입니다. 다른 CSU 저자로는 암린 베인스, 브랜든 포르텔라, 알렉산더 그린, 안나 울프, 루도빅 파틴 등이 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250620031618.htm