시금치로 작동하는 광합성 전지로 전자계산기 구동-시금치 추출물로 전기에너지 수확

시금치로 작동하는 광합성 전지로 전자계산기 구동-시금치 추출물로 전기에너지 수확

 

등록일2021.05.20.

 

 

 

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. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 연세대학교 류원형 교수, 황성주 교수>

 

논문명

Enhanced Interfacial Electron Transfer Between Thylakoids and RuO2 Nanosheets for Photosynthetic Energy Harvesting

저널명 

Science Advances

키워드 

Photosynthesis(광합성), Photosynthetic Electron(광합성 전자), Ruthenium Oxide(루테늄 산화물)

저  자

류원형 교수(공동 교신저자/연세대학교), 황성주 교수(공동 교신저자/연세대학교), 홍현욱 박사(공동 제1저자/연세대학교), 이장미 박사(공동 제1저자/뉴캐슬대학교, 호주), 윤재형(공동저자/연세대학교), 김용재 박사(공동저자/연세대학교), 김선일(공동저자/연세대학교), 신혜인(공동저자/연세대학교), 안현서 교수(공동저자/연세대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 식물 광합성은 자연에 존재하는 가장 효율적인 에너지 변환 과정 으로, 흡수된 빛으로 물을 분해하여 수소이온, 산소, 그리고 높은 에너지를 갖는 광합성 전자가 생성된다. 

 ○ 이 때 생성된 광합성 전자는 탄수화물 합성 과정에서 에너지를 소모하기 때문에, 이 고에너지 광합성 전자를 추출하여 전기 에너지로 이용하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

 ○ 이를 위해 에너지 손실을 최소화하면서 광합성 전자를 전극으로 추출하는 것이 필요하다. 광합성 복합체인 틸라코이드(thyalkoid) 표면은 음극을 띠는 친수성으로, 같은 음극인 금속전극과 접합이 좋지 않고 무극성인 탄소전극과의 접합도 좋지 않아 전극에 부착 하여 광합성 전자를 추출하기 어렵다. 

     ※ 광합성 전자 추출 과정 : 광합성 복합체인 틸라코이드가 부착된 음극인 금속 전극에 양전압(positive potential)을 인가하면, 틸라코이드에서 생성된 광합성 전자가 전위차이에 의해 전극으로 추출된다. 광합성 전지에서는 백금 촉매가 함유된 탄소전극이 양극으로 구성되며, 광합성 과정에서 생성된 수소이온, 공기 중의 산소, 그리고 외부 도선을 통해 이동한 광합성 전자가 만나 물이 만들어지며 이 과정에서 전기에너지를 이용할 수 있다.

 ○ 이를 해결하기 위해 기존에는 광합성 복합체와 전극 간 화학 결합을 유도하거나 인공 매개체를 주입하였으나, 광합성 전자가 화학결합이나 인공 매개체를 통해 이동/추출되는 과정에서 에너지 손실이 발생하였다. 

 ○ 본 연구팀은 틸라코이드에서의 전자전달 현상에 대한 이해를 바탕으로 가장 전도성이 좋고, 수소이온 흡/탈착을 통해 수퍼 커패시터 특성을 갖는 금속 산화물, 루테늄 산화물(Ruthenium oxide, RuO2)을 2차원 단일층 형태인 나노시트(nanosheet)로 제작 하여 광합성 전자추출을 위한 전극에 적용하여 광합성 전자추출 효율과 전류 밀도를 향상시켰다. 

 

2. 연구내용 

 ○ 합성된 층상구조의 나트륨 루테늄 산화물을 박리(이온치환 방식)하여 단일층의 루테늄 산화물(RuO2) 나노시트를 제작하고, 전기영동을 통해 금 전극 표면에 코팅하였다.  

 ○ 틸라코이드는 시금치 잎을 분쇄하여 원심분리를 통해 정제 되었으며, 전극 위에 일정한 양으로 도포 하였다.

 ○ 전극과 틸라코이드의 접합을 확인하기 위해 금 전극과 루테늄 산화물  코팅 전극에 틸라코이드를 각각 도포하고 강한 수압으로 세척하여 주사전자 현미경(scanning electron microscopy)으로 관찰 하였다. 틸라코이드가 대부분 떨어진 금 전극과 달리, 루테늄 산화물 전극 표면에는 틸라코이드가 여전히 잘 붙어 있는 것을 확인하였다. 

 ○ 틸라코이드가 부착된 전극의 특성을 확인하기 위해서 광합성 유무에 따른 전극의 전위를 Ag/AgCl 기준전극으로 측정하였다. 금 전극의 전위는 빛이 있을 때 약 10 mV, 빛이 없을 때 약 50 mV이었고, RuO2 전극의 전위는 빛이 있을 때 약 100 mV, 빛이 없을 때 약 110 mV로 금 전극보다 루테늄 산화물 전극의 전위가 더 양(+)의 방향에 있는 것을 확인하였다. 전극이 더 양(+)의 전위를 가지면 틸라코이드에서 생성된 광합성 전자를 더 강한 힘으로 끌어당기므로 많은 전자를 전극으로 추출할 수 있다.

 ○ 반쪽전지(half-cell)를 조사하기 위해 3 전극 시스템을 구성하여 포텐시오스텟(potentiostat)으로 측정하였다. 0.4V의 전압을 인가 했을 때, 인공 매개체가 없는 상태에서 루테늄 산화물 전극의 광합성 전류는 약 500 nA, 금 전극의 광합성 전류는 약 70 nA로 측정되었고, 인공 매개체가 있을 때 루테늄 산화물  전극은 약 10μA, 금 전극은 약 4μA로 측정되었다.

     ※ 포텐시오스탯 : 전압 또는 전류를 인가하여 전기화학 반응을 유도하고 이를 측정하는 장비. 본 연구에서는 일정 전압을 인가하고 광합성 전자를 추출하여 전류로 기록하였음.

 ○ 추가적인 조사를 위해 X-선 흡수 분광법(XAS, X-ray Absorption Spectroscopy)을 통해 틸라코이드 유무에 따른 루테늄 산화물 전극의 원자 구조를 조사하였다. 

 ○ 틸라코이드 존재 여부와 빛의 조사에 따른 루테늄과 산소의 원자간격을 측정하여, 루테늄 산화물 전극을 통해 광합성 전자를 추출할 때 루테늄 산화물 나노시트 표면에 흡착된 수소이온으로 인해 전극의 전위를 양의 방향으로 유지하여 틸라코이드로부터 광합성 전자를 추출하는데 도움을 줄 수 있음을 확인하였다.

 ○ 광합성을 통한 전기에너지 수확을 위해 산소 환원 반응이 일어 나는 전극을 양극(cathode)으로, 틸라코이드 전극을 음극(anode)로 하여 전지를 구성하였다. 

 ○ 단일 전지의 개방 회로 전압(open circuit voltage)은 424mV로 측정되었으며, 최대 전류밀도와 최대 전력밀도는 8.84 μA/cm2, 0.74 μW/cm2으로 측정되었다. 2개 전지를 병렬연결하여 전류를 증가시켰고, 이를 4개 직렬연결하여 전압을 증가시켜 이에 연결된 소형계산기가 구동됨을 확인 하였다.

 

3. 기대효과

 ○ 식물 광합성을 이용하여 광합성 전기에너지를 생산하고, 이를 통해 소형 전자계산기를 구동하여 광합성 에너지 하베스팅의 실용화 가능성을 보여주었다. 또한 연구에서 사용된 틸라 코이드는 매년 여름 문제가 되는 녹조현상의 주범인 녹조류에서 추출할 수 있어 환경문제를 해결하고 녹조류의 자원화에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

 ○ 추가적으로 본 연구에서 바이오 막과 전극 사이의 전자전달 현상을 이해하고, 금속산화물을 사용하여 전극/바이오 막 계면 에서의 전자전달을 향상시킨 것은 다양한 전기화학 기반의 바이오 센서의 효율을 높이는데 기여할 것으로 기대된다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

 

(그림 1) 루테늄 산화물 나노시트를 이용한 광합성 전자추출 향상

본 연구에서는 루테늄 산화물 나노시트(왼쪽에서 보라색으로 표시된 시트, 오른쪽에서는 파란색과 빨간색 입자 등으로 표시)를 전극에 적용하고 그 위에 식물세포의 엽록체에서 정제한 광합성 복합체, 틸라코이드(초록색으로 표시)를 빛을 받아 광합성 전자를 만들어내는 발전기로 사용하여 기존 금속전극보다 광합성 전자 추출을 향상시켰다. 

루테늄 산화물 나노시트는 정전기적 인력으로 전극 표면에 틸라코이드를 안정적으로 부착시키는데다 ~~으로 인해 수소이온을 흡착, (+)전위를 유지시켜 준다. 또한 나노시트 표면의 부분적인 극성으로 광합성 전자추출 효율을 높여준다. 

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 홍현욱 박사후연구원

 

 

 

 

 

(그림 2) 다수의 광합성 전지의 연결을 통한 소형계산기 구동

루테늄 산화물 나노시트와 틸라코이드로 구성된 광합성 전지를 여럿 병렬 및 직렬로 연결하여 빛에 의한 광합성 에너지로 전류가 흐르고 이로 인해 소형계산기가 구동됨을 증명하였다. 

(위) 다수의 연결된 광합성 전지의 빛 조사 모습(왼쪽 위)과 빛이 없을 때 모습(오른쪽 위). 

(아래) 직렬연결된 광합성 전지의 개략도(왼쪽 아래)와 실제 광합성으로 구동중인 계산기(오른쪽 아래) 모습.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 홍현욱 박사후연구원

 

 

 

연구 이야기

 

                                          <작성 : 연세대학교 류원형 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

친환경 에너지원으로 사용 가능한 식물 광합성에 기반한 에너지 하베스팅 관련 연구를 다년간 진행중이다. 2010년 단일 식물세포로부터 광합성 전자 추출을 세계 최초로 시도하여 보고하였고, 이후 다양한 나노전극의 제작과 단일 식물세포의 삽입을 통한 광합성 전자 추출관련 논문을 발표하고 특허를 등록하였다. 하지만 실용화 측면에서 에너지 밀도 향상을 위해서 광합성 복합체만을 추출하는 것이 유리하다고 판단하여, 정제된 틸라코이드를 이용한 광합성 에너지 하베스팅 연구를 수행하였다. 이 과정에서 생체막인 틸라코이드의 전극 접합문제와 함께 전자추출 효율 저하에 대한 문제를 인식하였고, 이를 해결하기 위해 나노소재 전문가인 연세대학교 신소재공학과 황성주 교수님과 협업을 통해 문제를 해결하고자 하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

다양한 금속산화물 나노시트의 제작 노하우와 재료에 대한 이해가 깊은 황성주 교수님과 이장미 박사님이 루테늄 산화물 나노시트를 제작/분석하였고, 이를 틸라코이드와 접목하여 광합성 전자 추출 분석과 광합성 전지 분석을 홍현욱 박사와 함께 수행하였다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

초기에 우리는 전도성과 극성으로 인해 틸라코이드가 전극에 잘 붙어 있어서 광합성 전자가 많이 추출된다고 생각했는데, 실제 분석해보니 예상했던 것 이상으로 광합성 전자가 많이 추출되었다. 이후, 다양한 선행논문을 통해 루테늄 산화물 표면에서만 일어나는 수소이온의 흡착으로 인한 광합성 전자추출 향상 가능성을 검증하고자 추가적인 전극 분석과 X-선 흡수 분광법을 이용하였다. 이 과정에서 연세대학교 화학과 안현서 교수님의 조언이 많은 도움이 되었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

이번 연구과정에서 생체물질과 전극 계면에서의 전자이동 과정을 이해하였고, 전극 재료로 많이 사용되는 금속과 탄소가 광합성 전자추출을 위해 좋은 재료가 아님을 확인하였다. 기존 연구들은 금속이나 탄소전극을 이용하여 광합성 전자를 추출하기 위해 화학적인 결합을 이용하거나 전자전달 매개체를 주입하였는데, 이 경우 효율이 떨어질 수 밖에 없으며 인공적인 전자전달 매개체는 환경친화적이지 않다는 단점이 있었다. 우리는 이 과정을 거치지 않고 루테늄 산화물 나노시트로 전극 표면을 코팅하여 직접적으로 광합성 전자를 추출하였고, 이를 통해 소형계산기를 구동할 수 있음을 증명하였다. 우리 전극 제작(나노시트의 제작과 전기영동으로 전극 표면 코팅)은 다양한 전극 재료에 적용 가능한 방식으로 활용 범위가 넓으며, 전기화학을 기반으로 한 다양한 형태의 바이오 센서에 영향을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

식물 광합성으로 전기를 생성할 수 있다면, 최근 화제가 되는 저탄소 친환경 전기생산이 가능할 것이다. 이를 위해 값비싼 귀금속인 루테늄을 다른 물질로 대체할 필요가 있으며, 광합성 복합체인 틸라코이드의 안정성을 더 향상시켜야 한다. 특히 틸라코이드의 경우 일주일 가량 성능 저하 없이 광합성 전자추출이 가능함을 확인하였지만, 너무 강한 빛을 받으면 광합성 기능을 잃기 때문에 실용화를 위해서는 더 오랜 시간 안정성을 유지해야 한다. 이를 위해 더 가혹한 조건에서 안정성을 유지할 수 있는 기술을 연구하고 있다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

이번 연구에서는 짧은 시간 동안 소형계산기를 구동했지만, 추후 광합성 전자의 생성/추출 효율을 향상시켜 좀 더 큰 전자기기를 작동해보고자 한다. 또한 광합성 전자를 이용한 센서나 광합성 수소 생산 등 다양한 응용 가능성을 검증해보고자 한다.

 

 

 <이장미, 제1저자>

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 뉴캐슬대학교 화학공학과 

           (The University of Newcastle, 

            School of Chemical Engineering, 호주)

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2018 ~ 현재 : 뉴캐슬대학교 박사후 연구원

                  (The University of Newcastle, 

                  School of Chemical Engineering, 호주)

 

4. 전문분야 정보

 ○ 나노소재과학(나노혼성체 개발 및 에너지관련 응용 연구)