식물 광합성 과정에서 수확한 전기에너지로 소형계산기 구동에 성공했다는 연구결과가 나왔다.
한국연구재단은 연세대학교 류원형 교수, 황성주 교수, 홍현욱 박사, 호주 뉴캐슬대학교 이장미 박사 연구팀이 시금치에서 추출한 틸라코이드와 루테늄 산화물 시트로 제작된 식물 광합성 전지를 개발, 소형계산기를 구동했다고 19일 밝혔다.
루테늄 산화물(Ruthenium oxide, RuO2)는 백금족에 속하는 전이금속인 루테늄의 금속산화물이다. 전도성이 뛰어나고 표면의 수소이온 흡/탈착을 통해 일반적인 전해 커패시터보다 10 ∼ 100배 더 많은 양의 전자를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터 특성을 가져 에너지 저장장치 등에 이용되어 왔다.
이번 연구에서는 층상구조의 나트륨 루테늄 산화물을 박리하는 방식으로 아주 얇은 시트 형태로 제작해냈다.
식물은 빛을 흡수하고 물을 분해하는 광합성 과정을 통해 수소이온과 산소, 그리고 높은 에너지를 갖는 광합성 전자를 만든다.
엽록체 안에 존재하는 광복합체인 틸라코이드에 빛과 물만 공급하면 광합성 전자가 생성되기에 틸라코이드로 전지를 만들어 친환경 전기를 생산하려는 연구가 이어져 왔다.
관건은 음극을 띠는 틸라코이드를 마찬가지로 음극을 띠는 전극 표면에 부착하는 것이었다.
부착을 돕기 위한 화학적 결합이나 매개체(mediators)로 광전자가 이동하는 과정에서 손실이 발생, 광전자 추출효율이 낮아지는 것이 문제였다.
연구팀은 틸라코이드와 그 자체로 견고하게 결합할 수 있는 종이처럼 얇은 2차원 나노시트(nanosheet) 형태의 루테늄 산화물 전극을 제작, 이를 적용한 광합성 전지를 설계했다.
광합성 전지는 루테늄 산화물 전극에 틸라코이드가 부착돼 광합성 전자가 추출되는 음극과 백금 촉매가 함유된 탄소전극인 양극으로 구성했다.
제작된 광합성 전지는 음극 기준 1㎠의 면적에서 광합성이 진행될 때 개방회로전압 약 420㎷, 최대 단락 전류 8.84㎂, 최대전력 0.74㎼로 측정됐다.
루테늄 산화물 나노시트는 표면이 극성을 띠어 다른 물질과의 부착에 유리한데다 소량으로도 전극에 도포할 수 있다.
실제 루테늄 산화물 코팅이 된 금 전극 표면에 도포된 틸라코이드는 강한 수압의 세척과정에도 부착돼 있었지만 코팅되지 않은 금 전극에 붙은 틸라코이드는 대부분 떨어져 나간 것이 확인됐다.
연구팀은 나아가 시금치에서 원심분리하여 얻은 틸라이코이드를 루테늄 산화물 나노시트 전극으로 연결한 광합성 전지 4개를 직렬로 연결해 소형계산기를 구동할 수 있음을 보여주었다.
식물체 안에서 탄수화물 합성을 위한 에너지원으로 쓰이는 광합성 전자를, 전기에너지원으로 활용할 수 있는 실마리를 보여준 것이다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 12일 게재(온라인)됐다.
