실외에서 CO₂ 감축하는 실용적인 ‘인조 풀잎’ 제작

이근영의 기상천외한 기후이야기
미국 일리노이대 연구팀 개발
실험실내 인조 풀잎 한계 넘어
실외에 인공 광합성 장치 설치
CO₂와 물을 CO와 산소로 전환
천연 풀잎보다 효율 14배 높아

미국 일리노이주립대 연구팀이 개발한 ‘인조 풀잎’ 모식도. 이산화탄소(빨간색과 검정색 구슬)는 풀잎 밑면에서 물(한얀색과 붉은색 구슬)이 증발할 때 잎 안으로 들어간다. 촉매로 코팅된 광흡수제로 만들어진 인공 광합성 장치(잎 가운데 보라색 원 부분)는 빛을 이용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하고

‘인조 풀잎’은 식물이 태양으로부터 에너지를 받아 공기중 물과 이산화탄소로 탄수화물을 만드는 광합성을 흉내내 만든 인공 장치이다. 인조풀잎은 대기중 이산화탄소를 줄여줄 것으로 기대되지만 가장 앞서 있는 장치도 고압 탱크에 들어 있는 순수 이산화탄소를 사용하기 때문에 실험실 안에서만 작동하는 한계가 있었다.

미국 시카고 일리노이주립대 연구팀은 최근 인조 풀잎이 실험실 밖 자연 대기 상태에서 작동할 수 있도록 한 새로운 디자인을 소개했다. 실제 대기에 존재하는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 이용하는 개량 인조 풀잎은 이산화탄소의 태양광-연료 전환(STF) 효율이 천연 풀잎에 비해 적어도 14배 이상 높다. 연구팀 논문은 미국화학회(ACS)가 발간하는 ‘지속가능 화학공학’(Sustainable Chemistry & Engineering)에 실렸다.

논문 주저자인 미니시 싱 일리노이공대 화공과 교수는 “지금까지 실험실에서 시험해온 모든 인조 풀잎은 고압 탱크에서 이산화탄소를 사용하도록 설계돼 있다. 실제 환경에서 성공적으로 작동하도록 하기 위해서는 인조 풀잎이 공기나 석탄화력발전소 굴뚝에서 나오는 배출 가스처럼 훨씬 저밀도인 기체에서 이산화탄소를 포집할 수 있어야 한다”고 말했다. 기존 인공광합성(AP) 장치 구조는 천연 풀잎을 닮기는 했지만 희석된 기체에서 이산화탄소를 직접 포획하는 기공과 같은 중요한 요소가 빠져 있다. 인조 풀잎에서 고압 이산화탄소 공급 없이 인위적으로 광합성 반응을 일으키기 위해서는 공기 중에서 이산화탄소를 포획하고 집적하는 방법을 찾아야 한다. 싱 교수와 대학원생인 아디티야 프라자파티는 반투명 제4암모늄 수지 막(멤브레인) 안에 물이 채워진 투명한 캡슐에 기존 인조 풀잎을 넣음으로써 이 문제를 해결했다. 캡슐 안의 물은 햇볕에 의해 데워지면 막 안에서 바깥으로 증발한다. 물이 막을 통과해 바깥으로 빠져 나갈 때 공기 중 이산화탄소를 선택적으로 끌어잡아당긴다. 캡슐 안의 인공 광합성(AP) 장치는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 촉매가 코팅된 광감응제로 만들어져 있다. 일산화탄소는 캡슐 안으로 흡입돼 여러 합성 연료 생산의 기초재로 사용된다. 산소도 생산돼 집적되거나 주변 환경으로 배출된다. 싱 교수는 “기존 인조 풀잎 장치를 특정한 막으로 감쌈으로써 전체 장치가 천연 풀잎처럼 실외 환경에서 작동할 수 있다”고 말했다.

통합 인공광합성 장치는 일 0.4톤의 일산화탄소를 생산할 수 있다. 이는 주변 공기의 이산화탄소를 10%까지 감축하는 효과를 낸다.

연구팀 분석으로 길이 1.7m, 너비 0.2m의 인조 풀잎 360개로 일산화탄소를 톤당 185달러의 비용으로 하루에 0.5t 생산할 수 있다. 360개 이파리는 500㎡ 면적으로 하루에 주변 100m 이내의 공기에서 이산화탄소 농도를 10%까지 줄일 수 있다. 싱 교수는 “캡슐형 설계는 (새로운 것이 아니라) 기존에 사용되던 물질과 기술을 이용한 것이다. 인조 풀잎이 만들어져 실험실 밖에 설치된다면 대기에서 온실가스를 감축하는 데 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.

이근영 선임기자 [e-mail]