태양광 전지에 의해 활용되는 ‘풍력’ 및 ‘태양광’ 발전은 오늘날 사용 가능한 소위 재생 에너지의 두 가지 주요 형태이다. 그러나 풍력 터빈과 태양광 발전은 모두 환경 영향 및 기타 복잡한 요인 측면에서 고려하면 주요 단점을 갖고 있다. 따라서 합성 광합성의 형태로 세 번째 소스를 추가하면 재생 가능 에너지 환경이 크게 개선될 수 있다. 그리고 부피가 큰 배터리 없이 에너지를 쉽게 저장할 수 있는 능력은 지구에 깨끗하고 효율적으로 전력을 공급하는 인간의 역량을 극적으로 향상시킬 수 있다.

오늘날 인간이 가지고 있는 인공 광합성에 가장 가까운 과정은 태양 전지가 태양 에너지를 전기로 변환하는 광전지 기술이다. 그러나 태양광 기술은 태양 에너지의 약 20%만 포착할 수 있어 매우 비효율적인 것이 현실이다. 반면, 광합성은 근본적으로 이보다 훨씬 더 효율적이다. 광합성은 태양 에너지의 60%를 유관한 생체 분자의 화학 에너지로 저장할 수 있기 때문이다.

단순한 광전지의 효율은 반도체의 빛 에너지 흡수 능력과 전지의 전력 생산 능력에 의해 제한된다. 하지만 합성 광합성은 이 한계를 쉽게 능가할 수 있다. 왜 그럴까? 인공 광합성에는 근본적인 물리적 제한이 없기 때문이다. 과학 엔지니어들은 이미 자연 광합성 분야에서 선례가 있기 때문에 효율이 60%인 시스템을 쉽게 그릴 수 있고, 좀 더 욕심을 내자면 최대 80% 효율의 시스템까지 가능한 것으로 보고 있다.

광합성은 인공 광합성의 첫 번째 단계인 물 분해에서 엄청난 효율을 보여준다. 식물의 광시스템 2형(II) 단백질은 이 작업을 초당 1천 번 수행한다.

광합성은 식물이 태양의 빛과 물 분자를 포도당 형태의 사용 가능한 에너지로 변환하는 복잡한 과정이다. 이를 식물은 단백질, 효소 및 금속뿐만 아니라 일반적으로 유명한 엽록소와 같은 안료를 사용한다.

‘켐 케탈리시스(Chem Catalysis)’ 저널에 발표된 연구에 따르면 연구원들은 빛을 수집하고 물 분자를 분해하여 수소를 생성하는 ‘인공 잎’ 유사체를 구축하여 식물의 이 프로세스를 모방하고 있다. 이 수소는 연료 전지에 사용되어 차량에서 주택, 소형 전자 장치, 실험실 및 병원에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급할 수 있다.

관련 연구자들은 어떤 환경에서 이 시스템이 가장 잘 작동하는지, 그리고 그 이유를 이해하기 위해 천연 광시스템 2형 단백질과 합성 촉매의 조합을 실험하고 있다. 이들은 특히 지구 환경에서 풍부하고 쉽게 접근할 수 있으며, 독성이 없는 화합물과 화학 물질을 사용하는 데 중점을 두고 있다.

과학자들이 인공 광합성을 연구한 것은 1970년대부터이다. 이들은 향후 10∼15년 내에 상업적 인공 광합성 시스템이 가동될 수 있을 만큼 큰 진전이 있을 것으로 예상하고 있다.

- CHEM CATALYSIS, “Do multinuclear 3d metal catalysts achieve O–O bond formation via radical coupling or via water nucleophilic attack? WNA leads the way in [Co4O4]n,” by Roman Ezhov, et al. © 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.

Wind power and solar power, harnessed by photovoltaic cells, are the two major forms of so-called renewable energy available, today. Both wind turbines and photovoltaics have major downsides in terms of environmental effects and other complicating factors. So, adding a third source in the form of synthetic photosynthesis would dramatically improve the renewable energy landscape. And its ability to store the energy easily, without requiring bulky batteries would dramatically improve humans’ ability to power society cleanly and efficiently.

The closest process to artificial photosynthesis humans have today is photovoltaic technology, where a solar cell converts the sun’s energy into electricity. However, photovoltaic technology is famously inefficient, able to capture only about 20% of the sun’s energy. Photosynthesis, on the other hand, is radically more efficient; it is capable of storing 60% of the sun’s energy as chemical energy in associated biomolecules.

The efficiency of simple photovoltaic cells is limited by semiconductors’ ability to absorb light energy and by the cell’s ability to produce power. That limit is something scientists could readily surpass with synthetic photosynthesis. Why? With artificial photosynthesis, there are no fundamental physical limitations. Engineers can very easily imagine a system that is 60% efficient because we already have a precedent in natural photosynthesis. And if they get very ambitious a system of up to 80% efficiency is quite possible.

Photosynthesis is massively efficient when it comes to splitting water, the first step of artificial photosynthesis. Photosystems II proteins in plants do this a thousand times a second.

Photosynthesis is a complex dance of processes whereby plants convert the sun’s radiance and water molecules into usable energy in the form of glucose. To do this, they use a pigment, usually the famous chlorophyll, as well as proteins, enzymes and metals.

According to research recently published in the journal Chem Catalysis researchers are mimicking the process by building an “artificial leaf” analog that collects light and splits water molecules to generate hydrogen. This hydrogen can then be used in fuel cells to power everything from vehicles to houses to small electronic devices, laboratories and hospitals 

The researchers experimented with combinations of natural photosystem II proteins and synthetic catalysts in attempts to understand what works best - and why. They specifically focused on using compounds and chemicals that are readily abundant on Earth, easily accessible and nontoxic to the planet.

Scientists have been working on artificial photosynthesis since the 1970s. The researchers expect that within the next 10-15 years, enough progress will have been made that commercial artificial photosynthesis systems will begin to come online.

- CHEM CATALYSIS, “Do multinuclear 3d metal catalysts achieve O–O bond formation via radical coupling or via water nucleophilic attack? WNA leads the way in [Co4O4]n,” by Roman Ezhov, et al. © 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.