잠재적으로 탄소를 생산함

홍콩대학교

이미지: 인공 구형 크로마토포어 나노미셀 시스템의 구조 및 메커니즘 연구. 이미지는 Nature Catalytic, 2023, doi:10.1038/s41929-023-00962-z에서 채택되었습니다.더보기

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태양 에너지를 탄소 중립 연료로 전환하는 것은 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 기후 변화에 대처할 수 있는 유망한 접근 방식입니다. 자연을 예로 들면, 식물과 기타 광합성 유기체는 햇빛을 사용하여 엽록체라는 특수 구조 내에서 발생하는 복잡한 생화학적 과정을 통해 물과 이산화탄소(CO2)로부터 에너지가 풍부한 화합물을 생성합니다. 그러나 이 자연 과정의 효율성은 햇빛을 유용한 에너지로 전환하는 데 있어서 반사적으로 낮은 효율성을 갖는 대사 경로에 의해 제한됩니다. 인공 광촉매 사이클은 더 높은 고유 효율을 보여주었지만, 일반적으로 물이나 양성자에 의한 촉매 분해를 방지하기 위해 순수하거나 고농축된 CO2 및 유기 매질에 의존합니다.

홍콩대학교 화학과 David Lee PHILLIPS 교수, 장쑤대학교 Lili DU 교수(HKU PhD 졸업생), 홍콩 시립대학교 Ruquan YE 교수, 홍콩대학교 Jia TIAN 교수가 이끄는 연구팀 상하이 유기화학연구소(Shanghai Institute of Organic Chemistry)는 광촉매 공정에 빛 에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 놀랍고 환경 친화적인 시스템을 개발했습니다. 이 인공 시스템은 안정성이 높고 재활용성이 뛰어나며 귀금속에 의존하지 않으므로 경제적으로 실행 가능하고 지속 가능합니다. 이번 연구 결과는 최근 최고 과학저널 네이처 카탈리시스(Nature Catalytics) 온라인판에 게재됐다.

배경 및 성과 자연에서 유기체는 빛 수확을 최적화하기 위해 '계층적 자기 조립'이라는 과정을 사용합니다. 이 과정에서 그들은 지질 또는 단백질 기반 지지체가 제공하는 맞춤형 환경 내에서 광촉매 구성 요소를 구성합니다. 높은 안정성, 선택성 및 효율성을 달성함으로써 광합성은 높은 표면적과 발색단 분자 및 자기 조립을 통한 촉매 중심의 정밀한 공간 제어에 의존하며, 이는 고효율 인공 광촉매 시스템의 설계 원리를 제공합니다.

최근 연구에서는 천연 지질 또는 합성 계면활성제와 광촉매 종의 공동 조립으로 형성된 소포 및 미셀을 사용하는 것으로 나타났습니다. 이러한 구조는 세포막의 환경을 모방하는 마이크로 반응기 역할을 합니다. 그러나 합성 경로를 통해 자연광 수확 슈퍼 복합체를 복제하는 것은 구현하기 어렵고 비용 효율적이지 않습니다.

현재의 노력과 과제에 대한 깊은 이해를 바탕으로 HKU 팀과 공동 작업자는 토양과 토양에서 흔히 발견되는 박테리아의 일종인 Rhodobacter sphaeroides의 광합성 장치에서 영감을 받아 물 속에서 자가 조립되는 인공 구형 크로마토포어 나노미셀 시스템을 설계했습니다. 담수는 '구형 빛 수확 색소포'라는 특별한 구조를 갖고 있다. 이 구조는 광 센서 역할을 하며, 크로마토포어 표면의 특정 분자의 원형 배열에 의해 생성되는 '구형 안테나 효과'라는 독특한 효과를 통해 햇빛으로부터 에너지를 효율적으로 전달하는 놀라운 능력을 보유하고 있습니다. 이를 통해 박테리아는 에너지 요구 사항에 맞게 햇빛을 효과적으로 포착하고 활용할 수 있습니다.

이 인공 시스템은 박테리아의 구형 빛 수확 크로마토그래피를 모방하고 수용액에서 자가 조립되는 나노미셀이라는 작은 구형 구조로 구성됩니다. 이러한 나노마이셀은 시스템의 구성 요소 역할을 합니다. 이 시스템은 정전기력을 통해 Co 촉매와 상호 작용하여 독특한 계층적 어셈블리를 유도하는 '아라미드 링커 강화 Zn 포르피린 양친매성 물질'로 알려진 변형된 분자와 광흡수 화합물을 활용합니다. 따라서 이 어셈블리는 '구형 안테나 효과'에 의해 유도되며 광촉매 과정을 위한 에너지를 포착하고 하차하는 시스템을 향상시킵니다.