시금치로 작동하는 광합성 전지로 전자계산기 구동
- -시금치 추출물로 전기에너지 수확 -
□ 식물 광합성 과정에서 수확한 전기에너지로 소형계산기 구동에 성공했다는 연구결과가 나왔다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 류원형 교수, 황성주 교수, 홍현욱 박사 (이상 연세대학교), 이장미 박사(호주 뉴캐슬대학교) 연구팀이 시금치에서 추출한 틸라코이드와 루테늄 산화물 시트로 제작된 식물 광합성 전지를 개발하여, 소형계산기를 구동했다고 밝혔다.
※ 루테늄 산화물(Ruthenium oxide, RuO2) : 백금족에 속하는 전이금속인 루테늄의 금속산화물. 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.
※ 광합성 전지 : 식물의 광합성 과정에서 물 분해를 통해 생성되는 광합성 전자를 추출하여 전기 에너지로 이용이 가능하게 만든 에너지 수확 장치로 빛과 물만 있으면 광합성을 통해 전기를 생산할 수 있다.
□ 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.
□ 이에 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 부착되어 광합성 전자가 추출되는 음극과 백금 촉매가 함유된 탄소전극인 양극으로 구성하였다. 제작된 광합성 전지는 음극 기준 1 cm2의 면적에서 광합성이 진행될 때 개방회로전압 약 420 mV, 최대 단락 전류 8.84 μA, 최대전력 0.74μW로 측정되었다.
□ 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 부착되어 있었지만 코팅되지 않은 금 전극에 붙은 틸라코이드는 대부분 떨어져 나간 것이 확인되었다.
□ 연구팀은 나아가 시금치에서 원심분리하여 얻은 틸라이코이드를 루테늄 산화물 나노시트 전극으로 연결한 광합성 전지 4개를 직렬로 연결하여 소형계산기를 구동할 수 있음을 보여주었다.
□ 식물체 안에서 탄수화물 합성을 위한 에너지원으로 쓰이는 광합성 전자를, 전기에너지원으로 활용할 수 있는 실마리를 보여준 것이다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 12일 게재(온라인)되었다.
