과학자들은 햇빛을 연료로 전환하는 새로운 방법을 발견하다

자연 광합성과 마찬가지로, 새로운 분자는 일시적으로 양전하 두 개와 음전하 두 개를 저장합니다. 출처: 데야니라 가이스네스 샤드

스위스 바젤 대학교 연구팀은 식물 광합성을 모델로 한 새로운 분자를 개발했습니다. 이 분자는 빛의 영향을 받아 양전하 두 개와 음전하 두 개를 동시에 저장합니다. 이 분자의 목표는 햇빛을 탄소 중립 연료로 전환하는 것입니다.

식물은 햇빛 에너지를 이용하여 이산화탄소를 에너지가 풍부한 당 분자로 전환합니다. 이 과정을 광합성이라고 하며, 사실상 모든 생명의 기초입니다. 동물과 인간은 이렇게 생성된 탄수화물을 다시 "연소"하여 저장된 에너지를 사용할 수 있습니다. 이렇게 다시 이산화탄소가 생성되어 순환이 끝납니다.

이 모델은 친환경 연료 개발의 핵심이 될 수 있습니다. 연구자들은 자연 광합성을 모방하고 햇빛을 이용하여 수소, 메탄올, 합성 휘발유와 같은 고에너지 화합물인 태양 연료를 생산하는 연구를 진행하고 있기 때문입니다. 이 연료들을 연소시키면 연료 생산에 필요한 만큼의 이산화탄소만 배출됩니다. 즉, 탄소 중립적인 연료가 될 것입니다.

특별한 구조를 가진 분자

과학 저널 Nature Chemistry 에서 Oliver Wenger 교수와 그의 박사과정 학생인 Mathis Brändlin은 인공 광합성의 비전을 달성하기 위한 중요한 중간 단계에 대해 보고했습니다. 그들은 빛 조사 하에서 4개의 전하(양전하 2개, 음전하 2개)를 동시에 저장할 수 있는 특수 분자를 개발했습니다.

여러 전하의 중간 저장은 햇빛을 화학 에너지로 변환하는 데 중요한 전제 조건입니다. 전하는 반응을 촉진하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 물을 수소와 산소로 분리하는 데 사용될 수 있습니다.

분자는 직렬로 연결된 다섯 부분으로 구성되어 있으며, 각 부분은 특정한 역할을 수행합니다. 분자의 한쪽 면에는 전자를 방출하는 두 부분이 있으며, 이 과정에서 양전하를 띠게 됩니다. 다른 쪽 면의 두 부분은 전자를 흡수하여 음전하를 띠게 합니다. 화학자들은 가운데 부분에 햇빛을 흡수하여 반응(전자 전달)을 시작하는 구성 요소를 배치했습니다.

빛을 이용한 두 단계

네 가지 전하를 생성하기 위해 연구진은 두 번의 섬광을 사용하는 단계적 접근법을 취했습니다. 첫 번째 섬광은 분자에 닿으면 양전하와 음전하가 생성되는 반응을 일으킵니다. 이 전하들은 분자의 반대쪽 끝으로 이동합니다. 두 번째 섬광에서는 같은 반응이 다시 일어나 분자는 두 개의 양전하와 두 개의 음전하를 가지게 됩니다.

어두운 곳에서도 작동합니다

"이러한 단계적 여기를 통해 훨씬 더 희미한 빛을 사용할 수 있습니다. 결과적으로 우리는 이미 태양광 강도에 근접하고 있습니다."라고 브랜들린은 설명합니다. 이전 연구에서는 매우 강력한 레이저 광이 필요했는데, 이는 인공 광합성의 비전과는 거리가 멀었습니다. "게다가 분자의 전하는 추가적인 화학 반응에 사용될 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 안정적으로 유지됩니다."

그럼에도 불구하고, 이 새로운 분자는 아직 제대로 작동하는 인공 광합성 시스템을 만들어내지는 못했습니다. 올리버 웽거는 "하지만 우리는 퍼즐의 중요한 조각을 발견하고 구현했습니다."라고 말했습니다. 이 연구의 새로운 결과는 인공 광합성의 핵심인 전자 전달에 대한 우리의 이해를 높이는 데 도움이 될 것입니다. 웽거는 "이를 통해 지속 가능한 에너지 미래에 대한 새로운 전망을 제시하는 데 기여할 수 있기를 바랍니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250826005230.htm