어린 시절의 질문, 국가 에너지 과제로 이어지다
광합성을 배우던 초등학교 4학년 시절, 옹위준은 간단한 질문을 던졌다. 식물이 하는 것처럼 햇빛을 활용해 현대 생활에 필요한 에너지를 만들 수 있을까? 그 호기심은 그의 평생 연구 과제가 됐다. 이제 말레이시아 과학자인 그는 나노과학과 촉매 기술을 활용해 같은 원리를 연구하며, 청정 연료의 화학 결합에 햇빛 에너지를 저장하고 있다.
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옹 교수는 말레이시아 샤먼대학교 부학장이자 나노 에너지·촉매 기술 우수센터(Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology, CONNECT)의 설립 센터장이다. 그와 연구팀은 광합성의 핵심 단계를 모방하는 인공 잎을 설계한다. 이 장치는 엽록소 대신 정밀하게 설계된 나노소재를 사용해 에너지가 풍부한 분자를 만든다.
CONNECT는 물에서 수소를 얻고, CO2를 메탄올 등 화학물질로 전환하며, 폐플라스틱을 연료로 바꾸는 연구를 진행한다. 장기 비전에는 농촌 지역사회에 전력을 공급할 수 있는 모듈형 태양광 수소 생산 시설도 포함된다. 첨단 과학을 일상적인 필요에 연결하는 것이 목표다.
인공 광합성의 실제 작동 원리
인공 광합성은 빛을 흡수하는 소재와 촉매를 이용해 햇빛을 화학 에너지로 전환한다. 장치는 광자를 흡수해 이동 전하를 생성하고, 이 전하를 이용해 물을 분해하거나 이산화탄소를 환원한다. 그 결과 만들어지는 연료는 저장하고 운송할 수 있으며, 햇빛이 없을 때도 사용할 수 있다.
물 분해 반응에서는 한쪽 반응으로 산소가 방출되고 다른 쪽에서는 수소가 생성된다. 반도체가 에너지를 공급하고 촉매가 각 반응에 필요한 장벽을 낮춘다. 수소는 연료전지의 에너지 운반체이자 암모니아 생산, 철강 제조, 정유 공정에 투입되는 청정 원료가 된다.
CO2를 연료로 전환하는 과정도 같은 원리를 따른다. 맞춤형 촉매가 전자의 흐름을 조절해 CO2를 일산화탄소, 포름산 또는 메탄올로 바꾼다. 장치는 분말형 광촉매, 빛 흡수 전극을 갖춘 광전기화학 전지, 재생에너지 전력으로 작동하는 전기촉매 시스템 등 다양한 형태로 구현할 수 있다. 목표는 동일하다. 높은 효율과 합리적인 비용으로 안정적으로 작동하는 것이다.
실험실의 돌파구에서 말레이시아의 실제 프로젝트로
CONNECT는 산업계 및 정부와 협력해 연구 성과를 현장에 적용한다. 2024년 8월, 말레이시아 샤먼대학교는 옹 교수가 100만 링깃(RM)을 넘는 PETRONAS 산학협력 대화 프로그램 보조금을 받았다고 발표했다. 이 프로젝트는 태양광 기반 인공 광합성을 이용해 육상 가스 터미널의 플레어링에서 나오는 CO2를 유용한 화학물질로 전환하는 것을 목표로 한다. 산업 배출원을 직접 줄이려는 시도다.
PETRONAS 프로그램은 25개 대학에서 접수한 588건 가운데 61개 프로젝트를 선정했다. CONNECT에는 2026년 중반 완성을 목표로 하는 태양광 수소 시스템 시제품, 온실가스를 줄이도록 설계된 촉매, 팜유 폐기물을 그래핀과 그린 수소로 전환하는 기술 등이 있다. 이 연구들을 관통하는 목표는 분명하다. 유망한 나노촉매를 통제된 실험실 환경에서 벗어나 탁 트인 야외에서도 작동하는 견고한 장치로 발전시키는 것이다.
촉매 안에서 작동하는 과학
인공 광합성은 빛을 흡수하는 소재, 전하를 분리해 유지하는 구조, 반응을 빠르고 선택적으로 일으키는 촉매 활성점이라는 세 가지 축에 기반한다. CONNECT는 2차원 소재, 정교한 접합 구조, 지구에 풍부한 원소로 이루어진 표면 활성점을 활용해 이 기반을 구축한다.
2차원 소재와 이종구조
그래핀과 비슷한 탄소 시트부터 전이금속 칼코겐화물까지, 2차원 소재는 전하가 이동하는 초박형 경로를 제공한다. 2차원 시트 하나를 다른 시트 위에 쌓으면 넓은 접합면이 만들어져 전자와 정공을 효율적으로 분리할 수 있다. 물 분해나 CO2 환원에 적합하도록 에너지 밴드가 정렬된 소재를 조합하면, 2차원 위에 2차원을 쌓은 이종구조로 희소 원소에 의존하지 않으면서 효율을 높일 수 있다.
Z 방식과 S 방식의 전하 이동
자연 광합성은 높은 에너지의 전하를 얻기 위해 두 단계의 빛 반응을 이용하며, 이를 흔히 Z자 형태로 표현한다. 인공 장치도 Z 방식과 S 방식 설계로 이 원리를 모방한다. 두 광흡수체를 연결해 환원력이 가장 강한 전자와 산화력이 가장 강한 정공만 남기고, 더 약한 전하는 서로 상쇄되도록 한다. 활성이 가장 높은 전하를 유지하면 어려운 반응의 효율을 높이고 부반응을 억제하는 데 도움이 된다.
금속 탄화물과 MXene 소재
MXene을 포함한 전이금속 탄화물은 높은 전도성과 조절 가능한 표면 특성을 함께 갖췄다. 빛 흡수체나 촉매 보조제로 사용할 수 있으며, 촉매 보조제는 주요 반응 단계를 가속하고 선택성을 조절하는 표면 물질이다. MXene은 층상 전구체를 식각해 전도성 시트를 만드는 방식으로 제조한다. 합성 방법에 따라 달라지는 표면 작용기는 분자의 흡착과 전하 이동에 영향을 미치며, 이는 안정적이고 효율적인 태양광 연료 생산의 핵심 요소다.
빛과 정교한 화학으로 폐기물을 자원으로
플라스틱은 편리함을 제공하지만 폐기물 문제도 낳는다. 광촉매 및 전기촉매 기반 업사이클링은 표적 화학 반응으로 이 문제를 해결하려는 접근법이다. 빛이나 재생에너지 전력을 이용하면 촉매가 긴 고분자 사슬을 분해해 포메이트, 아세테이트, 알코올 또는 수소 같은 유용한 분자로 바꿀 수 있다. CONNECT는 이 접근법을 농업 부산물에도 적용한다. 말레이시아의 팜유 산업에서는 탄소 함량이 높은 폐기물이 나오며, 이를 그래핀과 그린 수소로 전환할 수 있다. 연구진은 바이오메탄에서 그래핀과 수소를 생산하는 관련 특허를 보유하고 있다고 밝혔다. 폐기물을 소재와 에너지의 원료로 활용할 수 있음을 보여주는 사례다.
물에서 얻는 수소, 실험대에서 현장으로
햇빛으로 수소를 만든다는 개념은 간단해 보이지만, 이를 야외에서 구현하는 일은 어렵다. 장치는 빛을 효과적으로 포집하고 물을 분해해야 하며, 수소와 산소를 분리한 채 수개월 동안 더위와 비, 먼지를 견뎌야 한다. CONNECT는 야외 환경에서 시험할 대형 시제품을 개발하고 있다. 광촉매와 광전기화학을 결합한 태양광 수소 생산 장치를 2026년 중반까지 완성하는 것이 목표다.
규모 확대 과정에서는 두 가지 문제가 주로 중요해진다. 태양광-수소 전환 효율을 높이면서 소재 비용을 낮게 유지해야 한다. 비용은 설치 장소에 따라 달라지지만, 많은 전문가가 실용적인 기준으로 10%를 꼽는다. 내구성도 중요하다. 촉매는 산소와 강한 빛에 노출되면 성능이 저하될 수 있다. 해수에는 염화물이 있어 부식과 염소 생성을 일으킬 수 있다. 연구팀은 보호층과 선택성 막을 적용하고 수소와 산소만 생성되도록 반응 조건을 조절해 이런 문제에 대응한다.
말레이시아와 역내에 중요한 이유
말레이시아는 2050년 탄소중립을 목표로 하고 있으며, 이를 위해서는 새로운 청정 연료와 더 효율적인 탄소 활용이 필요하다. 인공 광합성은 여러 국가 우선 과제와 맞닿아 있다. 수소는 재생에너지의 공급을 보완하고 산업 배출을 줄일 수 있다. 플레어링이나 공정에서 나오는 CO2를 원료로 전환하면 폐기물을 가치 있는 자원으로 바꿀 수 있다. 플라스틱과 바이오매스 폐기물을 활용하면 매립 부담과 수입 화석 원료 의존도를 낮출 수 있다. 모듈형 태양광 연료 생산 장치는 전력망 확충이 더딘 외딴 지역의 학교, 진료소, 소규모 사업체에도 도움이 될 수 있다.
협력과 인재, 디지털 도구가 연구를 앞당긴다
CONNECT는 PETRONAS 연구 부문 및 국가 기술 프로그램과 협력하고, 화학·소재·공학·데이터 과학 분야의 역량을 결합해 연구를 진전시키고 있다. 밀도범함수이론과 머신러닝은 수천 가지 후보 촉매를 선별해 실험실에서 실제로 만들 대상을 추리는 데 도움을 주며, 시간과 비용을 절약한다. 옹 교수는 늘어나는 대학원생 및 박사후 연구원 그룹을 이끌고 있다. 세계 최상위 피인용 연구자 선정과 세계 상위 2% 과학자 명단 등재는 연구의 영향력을 보여준다. 하지만 궁극적인 목표는 실용적이다. 말레이시아의 환경에서 청정 연료를 안정적으로 생산하는 장치를 만드는 것이다.
남아 있는 과제
인공 광합성은 전해조 기반 그린 수소 생산을 대체하기보다는 보완할 가능성이 크다. 상용화까지는 효율을 높이고 내구성을 개선하며 부대설비 비용을 낮추고 안전한 가스 취급 방식을 설계해야 한다. CO2 전환 과정에서는 분리 작업이 필요한 혼합물이 생성되는 경우가 많다. 플라스틱 업사이클링에는 품질이 일정한 원료와 선택성 높은 촉매가 필요하다. 2026년 시제품과 PETRONAS 프로젝트에서 얻을 현장 데이터는 말레이시아의 에너지 전환 과정에서 이 기술이 가장 효과적으로 적용될 분야를 판단하는 데 도움이 될 것이다.
핵심 내용
- 옹위준 교수는 말레이시아 샤먼대학교의 CONNECT를 이끌며 인공 광합성과 나노촉매 연구에 주력한다.
- 연구팀은 물에서 수소를 얻고 CO2를 메탄올 등 제품으로 전환하며, 광촉매 또는 전기촉매를 이용해 폐플라스틱을 업사이클링하는 연구를 진행한다.
- 100만 링깃(RM)이 넘는 PETRONAS 보조금(2024년 8월)은 육상 가스 터미널의 플레어링에서 발생하는 CO2를 태양광으로 전환하는 연구를 지원한다.
- 말레이시아 야외 환경에서 성능을 시험할 태양광 수소 시스템 시제품은 2026년 중반 완성을 목표로 한다.
- 연구에는 2차원 이종구조, Z 방식 전하 이동, MXene 같은 금속 탄화물이 활용된다.
- 해수를 이용한 수소 생산 연구는 염화물 부식과 선택성 문제에 대응해 염소 생성을 방지하는 데 주력한다.
- 산업계와의 협력, 밀도범함수이론 및 머신러닝 활용은 촉매 발굴을 앞당긴다.
- 이 연구는 말레이시아의 2050년 탄소중립 목표와 부합하며 농촌 지역의 에너지 접근성 개선에도 기여할 수 있다.
