연구성과

화학 이인수 교수팀, 태양광으로 물질 만드는 ‘세포’ 닮은 촉매 나왔다

2020-05-13 579

[플라즈몬 이중층 구조 나노카탈로좀 개발]


45억년 전 만들어진 것으로 추측되는 태양은 지구상의 모든 생명체가 생존할 수 있도록 하는 존재다. 최근에는 자원 고갈과 환경 오염으로 인하여, 지속가능한 발전을 위한 방법으로 태양이 보내오는 빛, 즉 태양광을 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다. 태양광을 활용할 수 있는 분야는 무척 다양한데, 이를 활용하기 위해서는 태양광을 화학반응에 필요한 에너지로 전환해주는 촉매의 역할이 아주 중요하다. POSTECH 연구팀이 세포막 구조를 닮은 새로운 형태의 촉매제, ‘나노카탈로좀(Nanocatalosomes)’을 개발해 학계의 눈길을 모으고 있다.

화학과 이인수 교수·아미트 쿠마르(Amit Kumar) 박사 연구팀은 플라즈몬 이중층 구조를 가진 촉매제, ‘나노카탈로좀’을 개발하고, 이를 활용해 태양광 유도 화학반응을 구현하는데 성공했다. 화학분야 세계적 권위지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)를 통해 발표된 이 연구성과는 다양한 활용 가능성에서 관심을 모아 표지논문으로도 소개될 예정이다.

고갈의 우려가 없는 태양광을 에너지원으로 활용하여, 물질을 대량으로 생산하는 친환경적이고 지속가능한 화학공정을 개발하기 위한 연구는 전 세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다.

연구팀은 다양한 목적에 활용할 수 있으면서 효율성이 좋은 촉매제 개발을 위해 세포막의 이중층(二重層)*1 구조에 관심을 가졌다. 세포 및 대부분의 세포기관들은 이중층의 세포막구조로 둘러싸여 있으며, 이 이중층 구조는 pH 농도를 조절하고 이온·분자 채널을 유지하는 역할을 할 뿐만 아니라, 세포 내에서 일어나는 촉매 반응의 공간이 되기도 한다. 연구팀은 이러한 세포막 형태를 모방하여 태양광을 이용해 화학 반응을 이끌어낼 수 있는 고효율 촉매 물질을 개발하는 연구를 진행, 이중층 세포막 구조와 닮은 촉매인 ‘나노카탈로좀’을 개발하는 데에 성공하였다.

이중층의 속 빈 금속껍질(shell)로 이루어진 나노카탈로좀은 금속껍질 이중층 사이에 형성된 수 나노미터(nm)크기의 공간에서 태양광을 흡수, 화학반응에 필요한 에너지로 전환해 효율을 크게 높인다. 또한, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등을 비롯한 여러 종류의 촉매 금속을 필요에 따라 선택적으로 촉매 반응에 도입하면서, 다양한 화학 반응에 적용할 수 있는 넓은 활용성을 가지고 있다.

나노카탈로좀은 수소와 같은 친환경 연료의 저장, 생산은 물론 의약품 등의 정밀 화학물질의 합성에 활용할 수 있으며, 태양광을 에너지원으로 사용해 환경친화적이고 지속가능한 생산공정을 구현할 수 있게 된다. 또, 생체 이미징(imaging)이나 세포 내 촉매 반응에 적용, 새로운 질병 진단이나 치료에 응용할 수 있을 것으로도 기대된다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.
 


1. 세포막 이중층
인지질 분자로 이루어지는 이중층은 세포막의 기본성분이며, 두 인지질 분자의 소수성 꼬리가 서로를 마주보고 친수성 머리가 각각 세포질과 세포외부와 접한 이중 구조가 인지질 이중층의 기본 단위다.