25년08월28일, 오늘의 과학 - 인공 광합성

🌱 인공 광합성, 인류의 새로운 희망을 만들다

인공 광합성

❓ 식물을 따라 하는 이유는 무엇일까?

우리는 매일 식물이 만들어주는 산소를 마시며 살아가지만, 정작 그들이 어떤 일을 해내고 있는지는 쉽게 잊곤 합니다.

*광합성(Photosynthesis)*은 태양빛을 받아 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)를 유기물과 산소로 바꾸는 과정입니다.

단순한 화학반응 같지만, 이는 지구 생태계를 유지하고 인류 문명을 가능하게 한 가장 중요한 생명 활동 중 하나입니다.

그런데 최근 과학자들은 이 과정을 실험실에서 재현하려는 도전을 계속해왔습니다.

바로 **인공 광합성(Artificial Photosynthesis)**입니다. 이 기술이 성공적으로 자리 잡으면,

인류는 태양빛과 물, 이산화탄소만으로 청정 연료를 얻을 수 있는 길을 갖게 됩니다.

이는 곧 기후 위기와 에너지 위기를 동시에 해결할 수 있는 열쇠가 될 수 있죠.

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🔬 2025년 8월 최신 성과 – 다전자 축적의 벽을 넘다

다전자 축적의 벽을 넘다

 

8월 26~28일 보도를 통해 알려진 스위스 바젤대 연구팀의 성과는 인공 광합성 연구에서 큰 진전으로 평가됩니다.

• 연구진은 하나의 분자(도너–광감응체–전자수용체 구조, 일명 ‘펜태드’) 안에서
  빛 두 개를 흡수해 ±2 전하를 축적하는 데 성공했습니다.
• 이는 기존에 필요한 희생 전자공여체 없이, 순수한 광 반응만으로 다중 전자 축적을 이룬 첫 사례입니다.
• 결과적으로 37%의 양자수율, 최대 3.0 eV의 저장 에너지,
  두 광자 사이 허용 시간 창 10⁴–10⁷배 확장이라는 수치를 보여주었습니다.
• 또한 **낮은 광 강도(흐린 날, 산광 환경 등)**에서도 반응이 유지될 수 있어,
  실제 태양광 조건에 더 근접한 환경을 가정할 수 있게 되었습니다.

이 연구는 아직 직접 연료를 합성한 단계는 아니지만,

물 분해·CO₂ 환원과 같은 다전자 반응을 구동할 전기적 기반을 마련했다는 점에서 의미가 큽니다.

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🧪 다른 연구 사례 – ‘인공 잎’의 진화

인공 잎

 

올해 초 영국 케임브리지대와 미국 버클리랩 연구진은 페로브스카이트 광흡수층 + 구리 ‘나노플라워’ 촉매를 결합한

‘인공 잎’을 통해 CO₂ → 에틸렌·에탄(C₂ 화합물) 전환을 성공적으로 시연했습니다.

이 성과는 분자 단계에서 전하 축적에 성공한 바젤대 연구와 맥락을 같이합니다.

전자가 모여야 촉매가 작동할 수 있고, 촉매가 있어야 탄소–탄소 결합이나 연료 합성이 가능합니다.

즉, 두 연구는 **“전하를 모으는 기술”과 “전하로 화학반응을 일으키는 기술”**로 서로를 보완하며,

인공 광합성을 완성하는 두 축이라고 할 수 있습니다.

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🌍 인류에게 주는 의미

이번 일련의 연구들이 가지는 의미는 분명합니다.

• ✅ 청정 연료 생산 가능성: 태양광만으로 액체 연료를 합성해,
  항공·해운·중공업 등 전기화가 어려운 산업 부문에 적용할 수 있음
• ✅ 탄소 중립 기여: 대기 중 CO₂를 원료로 활용하여, 에너지 생산과 동시에 탄소 순환을 촉진
• ✅ 실용성 진전: 저조도 환경에서도 작동할 수 있는 분자 설계는 실제 야외 조건 적용에 유리

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📊 자연과 인공의 비교 정리

구분	자연의 광합성	인공 광합성 (분자 단계)	인공 잎 (장치 단계)
에너지원	태양광	태양광	태양광
원재료	물, CO₂	물, CO₂	물, CO₂
산물	포도당, 산소	다전자 전하 상태 (±2)	에틸렌·에탄 등 청정 연료
대표 성과 (2025)	–	전하 축적, 양자수율 37%, 3.0 eV 저장	CO₂ → C₂ 화합물 전환
장점	생태계 유지	전하 축적 안정성, 저조도 작동	실제 연료 생산, 실증 가능

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🚀 앞으로의 과제와 전망

물론 아직 넘어야 할 산도 많습니다.

1. 촉매 결합: 분자 단계 전하 축적 시스템을 물 산화·CO₂ 환원 촉매와 효율적으로 연결해야 함
2. 경제성 확보: 실험실 크기에서 산업 규모로 확장하려면 제조 비용을 낮추는 혁신 필요
3. 내구성 문제 해결: 일부 장치는 납계 페로브스카이트를 사용하기 때문에 안정성과 환경 안전성 문제 해결 필요

하지만 태양광 패널도 처음에는 “너무 비싸고 비효율적”이라는 평가를 받았던 것처럼,

인공 광합성 역시 시간이 지나면서 상용화와 대중화를 향해 나아갈 가능성이 충분합니다.

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✨ 결론 – 인간이 만드는 ‘작은 숲’

인간이 만드는 ‘작은 숲’

 

인공 광합성은 단순히 자연을 흉내 내는 실험이 아닙니다.

지속 가능한 에너지 시스템을 만들고, 기후 위기를 극복하려는 인류의 집단적 도전입니다.

식물이 수십억 년 동안 해온 일을 과학과 기술로 재현한다는 것은 곧 인간이 직접 ‘작은 숲’을 창조하는 것과도 같습니다.

👉 다음 글에서는 **“탄소 포집 기술(CCUS)과 인공 광합성의 연결 고리”**를 주제로,

기후 위기를 해결하기 위한 다양한 기술적 접근법을 이어서 살펴보겠습니다.

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📌 참고 문헌

• Würthner, F. et al., Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01912-x — 다전자 전하 축적 분자 시스템 연구 (바젤대)
• University of Basel News Release (2025). Chemists develop molecule for important step toward artificial photosynthesis. Unibas.ch
• ScienceDaily (2025). Scientists found a new way to turn sunlight into fuel. sciencedaily.com
• Li, X. et al., Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01022-4 — 인공 잎을 통한 CO₂ → C₂ 화합물 전환 (케임브리지·버클리랩)
• University of Cambridge (2025). Tiny copper ‘nano-flowers’ bloom on artificial leaves for clean fuel production. cam.ac.uk
• Berkeley Lab News Center (2025). Scientists develop artificial leaf that produces valuable chemicals. newscenter.lbl.gov

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