KAIST, 친환경과 효율성 다 잡은 암모니아 합성법?
KAIST, 친환경과 효율성 다 잡은 암모니아 합성법?
  • 정지원 기자
  • 승인 2022.06.16 13:04
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빛 에너지 이용 친환경 암모니아 생산 플랫폼 개발
질소 고정 박테리아의 암모니아 생산 효율 대폭 늘려
디스플레이 소재와 미생물의 장점 활용
(왼쪽부터)이도창 KAIST 생명화학공학과 교수, 이상엽 특훈교수, 고성준 박사.(사진=KAIST)
(왼쪽부터)이도창 KAIST 생명화학공학과 교수, 이상엽 특훈교수, 고성준 박사.(사진=KAIST)

(내외방송=정지원 기자) 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 적은 친환경 암모니아 합성법이 제시됐다.

KAIST는 16일 '내외방송'에 보낸 자료를 통해 "이도창 생명화학공학과 교수와 이상엽 특훈교수, 박영신 연구교수 연구팀이 디스플레이(컴퓨터로 처리된 내용을 보여주는 출력장치) 소재인 양자점(퀀텀닷, 자체적으로 빛을 내는 아주 작은 크기의 반도체 결정)을 이용해 '질소 고정 박테리아의 암모니아 생산 효율'을 대폭 늘렸다"고 밝혔다.

이 연구에서 사용된 질소 고정은 공기 중 질소 기체 분자를 암모니아를 비롯한 질소화합물로 전환하는 과정을 말한다.

연구팀은 양자점에 의해 흡수된 빛 에너지가 박테리아의 암모니아 합성 반응에 사용되도록 설계했으며 그 결과 박테리아의 암모니아 생산량을 큰 폭으로 증가시킬 수 있었다.

연구팀은 양자점을 질소 고정 박테리아 안에 더 많이 넣을 수 있는 방법을 제시했다.

질소 고정 박테리아는 질소 고정 효소를 이용해 대기 중 질소를 암모니아로 전환한 뒤 생장에 필요한 단백질을 만든다.

질소 고정 반응은 화학적 암모니아 합성법인 하버-보슈 공정에 비해 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 매우 적다.

하지만, 이 방법에도 단점이 있었다.

박테리아는 생장에 필요한 만큼만 암모니아를 생산하도록 진화해 질소 고정 효소의 반응이 느려 이를 산업에 활용하기 어렵다.

반응이 느린 이유는 효소의 두 가지 구성요소인 전자 전달부와 촉매 반응부의 비효율적인 상호작용 때문이다.

전자 전달부가 촉매 반응부에 전자를 공급한 후 반드시 탈착돼야만 촉매 반응부가 새로운 전자를 추가로 공급받아 암모니아를 생성할 수 있다.

양자점-박테리아 복합 시스템 형성과 빛을 이용한 암모니아 생성 반응.(사진=KAIST)
양자점-박테리아 복합 시스템 형성과 빛을 이용한 암모니아 생성 반응.(사진=KAIST)

연구팀은 문제를 해결하기 위해 빛을 흡수하는 양자점을 박테리아의 질소 고정 반응에 전자 공급원으로 활용해 나노·바이오 복합 시스템을 구축했다.

양자점이 흡수한 빛 에너지를 표면에 쉽게 전달할 수 있도록 입자의 구조와 표면을 제어하면 광 감응과 촉매 소재로도 우수한 특성을 보일 수 있다.

연구팀은 질소 고정 효소의 전자 전달부 역할을 양자점으로 대체하기 위해 양자점의 코어-쉘 구조(중심인 코어와 둘러싸고 있는 쉘 부분으로 이뤄진 형태)를 통해 전자 전달이 유리하도록 설계했다.

또, 양자점이 생물학적 시스템에 결합할 수 있도록 표면 화학 특성을 제어해 수분산(친수성) 특성을 확보했다.

이어 구조 및 표면이 제어된 양자점을 질소 고정 박테리아의 대사활동이 가장 활발한 성장기에 추가해 박테리아의 능동적인 양자점 흡수를 유도했다.

이렇게 제작된 양자점-박테리아 복합 시스템에 빛을 조사한 결과, 질소 고정 반응 속도와 암모니아 생산량이 대폭 증가했다.

고성준 박사는 "디스플레이 소재와 미생물의 장점을 합해 빛 에너지를 이용한 새로운 방식의 암모니아 합성법을 제시한 결과"라며 "이번 연구를 활용한 그린 암모니아 생산 플랫폼을 구축한다면 환경과 에너지 문제에 적극적으로 대응할 수 있을 것"이라고 말했다.

미국 화학회지 논문 표지.(사진=KAIST)
미국 화학회지 논문 표지.(사진=KAIST)

이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

고성준 KAIST 생명화학공학과 박사가 제1저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지 '미국 화학회지(JACS)'에 표지 논문으로 선정돼 출판됐다(논문명: Light-Driven Ammonia Production by Azotobacter vinelandii Cultured in Medium Containing Colloidal Quantum Dots).

 

 

 



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