디스플레이 소재인 양자점으로 친환경 암모니아 생산 공법의 효율을 높이는 기술이 나왔다.
KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 이도창 교수, 이상엽 특훈교수, 박영신 연구교수 연구팀이 양자점(퀀텀닷)을 이용해 질소 고정 박테리아의 암모니아 생산 효율을 대폭 늘렸다고 16일 밝혔다.
질소 고정은 공기 중 질소 기체 분자를 암모니아 등 질소화합물로 전환하는 과정을 말한다. 질소 고정 박테리아는 질소 고정 효소를 이용해 대기 중 질소를 암모니아로 전환, 생장에 필요한 단백질을 생산한다.
질소 고정 반응을 활용한 암모니아 생산법은 고온 고압 환경이 필요한 기존 하버-보슈 공정에 비해 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 적다.
하지만 산업적 활용엔 어려움이 있다. 박테리아는 생장에 필요한 만큼만 암모니아를 생산하기에 질소 고정 효소의 반응이 느리기 때문이다. 질소 고정 효소의 전자 전달부가 촉매 반응부에 전자를 공급한 후, 반드시 탈착돼야만 촉매 반응부가 새로운 전자를 추가로 공급받아 암모니아를 생성할 수 있다.
연구팀은 빛을 흡수하는 양자점을 박테리아 질소 고정 반응의 전자 공급원으로 활용했다. 양자점은 디스플레이 소재로 쓰이는 수 나노미터 크기의 입자이다. 양자점이 흡수한 빛 에너지를 표면에 쉽게 전달할 수 있도록 입자의 구조와 표면을 제어하면 광감응 및 광촉매 소재로도 좋은 특성을 보인다.
연구팀은 질소 고정 효소의 전자 전달부 역할을 양자점으로 대체하기 위해 양자점의 코어 및 쉘 구조를 전자 전달에 유리하게 설계했다. 또 양자점이 생물학적 시스템에 결합할 수 있도록 표면 화학 특성을 제어해 수(水)분산 특성을 확보했다.
이렇게 구조 및 표면이 제어된 양자점을 질소 고정 박테리아의 대사활동이 가장 활발한 성장기에 추가, 박테리아가 양자점을 흡수하도록 유도했다. 여기에 빛을 조사하자, 질소 고정 반응 속도가 증가하며 암모니아 생산량이 증가했다.
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제1저자인 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 환경 및 에너지 문제에 적극적으로 대응할 수 있을 것"라고 말했다.
이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐으며, 학술지 미국화학회지(JACS) 표지 논문으로 실렸다.
