새로운 광촉매 시스템으로 탄소 다이오를 변환

홍콩 시립대학교

이미지: 계층적 자가 조립 광촉매 시스템(왼쪽)은 Rhodobacter sphaeroides(오른쪽)라고 불리는 보라색 박테리아의 자연 광합성 장치를 모방하여 이산화탄소를 메탄으로 변환할 때 태양열-연료 효율을 15% 달성합니다.더보기

출처: (왼쪽) Ye Ruquan 교수 연구 그룹 / 홍콩 시립 대학교 및 (오른쪽) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010

의 공동 연구팀홍콩 시립대학교(CityU) 연구진은 최근 자연 광합성보다 더 효율적인 안정적인 인공 광촉매 시스템을 개발했습니다. 새로운 시스템은 천연 엽록체를 모방하여 빛을 사용하여 매우 효율적으로 물 속의 이산화탄소를 귀중한 연료인 메탄으로 변환합니다. 이는 탄소 중립 목표에 기여할 수 있는 유망한 발견입니다.

광합성은 식물과 일부 유기체의 엽록체가 햇빛, 물, 이산화탄소를 사용하여 음식이나 에너지를 생성하는 과정입니다. 지난 수십 년 동안 많은 과학자들은 이산화탄소를 탄소 중립 연료로 전환하기 위해 인공 광합성 과정을 개발하려고 노력해 왔습니다.

하지만 많은 광감작제나 촉매가 물에서 분해되기 때문에 물 속에서 이산화탄소를 전환시키는 것은 어렵다고 설명했다.예루취안 교수 , 공동 연구의 리더 중 한 명인 CityU 화학과 부교수. "인공 광촉매 사이클이 더 높은 고유 효율로 작동하는 것으로 나타났지만, 이산화탄소 감소를 위한 물의 낮은 선택성과 안정성으로 인해 실제 적용이 방해를 받았습니다."

최근 연구에서 CityU, 홍콩대학교(HKU), 장쑤대학교, 중국과학원 상하이유기화학연구소의 공동 연구팀은 초분자 조립 접근법을 사용하여 인공 분자를 생성함으로써 이러한 어려움을 극복했습니다. 광합성 시스템. 이는 태양으로부터 에너지를 전달하는 데 매우 효율적인 보라색 박테리아의 빛을 수확하는 색소포(즉, 색소를 함유한 세포)의 구조를 모방합니다.

새로운 인공 광합성 시스템의 핵심은 매우 안정적인 인공 나노미셀입니다. 이는 물을 좋아하는(친수성) 끝과 물을 두려워하는(소수성) 끝을 모두 갖고 물 속에서 자가 조립할 수 있는 일종의 폴리머입니다. 나노미셀의 친수성 머리는 햇빛을 흡수하는 감광제 역할을 하고, 소수성 꼬리는 자기조립을 유도하는 역할을 한다. 물에 넣으면 물 분자와 꼬리 사이의 분자간 수소 결합으로 인해 나노셀이 자가 조립됩니다. 코발트 촉매를 첨가하면 광촉매 수소 생성과 이산화탄소 환원이 일어나 수소와 메탄이 생성된다.

첨단 이미징 기술과 초고속 분광학을 사용하여 팀은 혁신적인 감광제의 원자 특징을 공개했습니다. 그들은 나노미셀의 친수성 머리의 특별한 구조와 물 분자와 나노미셀의 꼬리 사이의 수소 결합이 나노미셀을 안정적이고 물과 호환되는 인공 광감작제로 만들어 인공 광합성의 기존 불안정성과 물 비친화성 문제를 해결한다는 것을 발견했습니다. 감광제와 코발트 촉매 사이의 정전기적 상호작용과 나노마이셀의 강력한 광수확 안테나 효과는 광촉매 공정을 개선했습니다.

실험에서 연구팀은 메탄 생성 속도가 13,000μmol h−1 g−1 이상이며, 24시간 동안 양자 수율이 5.6%임을 확인했습니다. 또한 자연 광합성을 능가하는 15%의 고효율 태양광-연료 효율을 달성했습니다.

가장 중요한 것은 새로운 인공 광촉매 시스템이 값비싼 귀금속에 의존하지 않기 때문에 경제적으로 실행 가능하고 지속 가능하다는 것입니다. "시스템의 계층적 자기 조립은 아연 및 코발트 포르피린 복합체와 같이 지구에 풍부한 값싼 원소를 기반으로 정밀하게 제어되는 고성능 인공 광촉매 시스템을 만들기 위한 유망한 상향식 전략을 제공합니다"라고 Ye 교수는 말했습니다.