녹색 식물의 광합성은 태양 에너지를 대기 중의 이산화탄소와 물을 이용해 식물 성장에 필요한 연료인 당 분자로 바꾼다. 오랫 동안 과학자들은 환경 친화적이고 지속가능한 연료 생산을 목적으로, 인공적으로 에너지 변환 과정을 모방하기 위해 노력해 왔다. 하지만 광합성의 핵심 기능을 모방하는 것은 도전거리라는 것이 증명되어 왔었다. 인공 광합성은 빛을 흡수하고 전기 전하를 이동하고 분리할 수 있어야 하며, 연료를 생산하는 반응에서 촉매화 할 수 있는 분자 시스템이 디자인 되어야 한다. 높은 에너지 전환 효율을 성취하기 위해서는 이 모든 과정이 동시에 이루어져야 한다.

미국 과학자들이 두 개의 광촉매 (빛을 흡수하여 화학 반응을 가속화하는 재료)를 개발했다고 보고했다. 연구팀이 개발한 두 개의 분자 시스템은 다중의 빛을 흡수하는 센터에 루비늄(Ru) 금속 이온이 있으며, Ru 센터에서 로듐(Rh) 촉매로 전자가 이동을 촉진하도록 다리 역할을 해주는 분자를 연결되어 있으며, 여기에서 수소 기체가 만들어진다. 관련 연구는 미국 화학회지 JACS에 보고되었다 (DOI: 10.1021/jacs.7b02142).

이번 연구에서 과학자들은 수소 생산 성능과 초분자의 물리적인 특성을 분석했다. 연구팀은 빛을 흡수하는 세 개의 Ru 보다 6개의 Ru으로 이루어진 광촉매가 더 많은 수소를 생산할 수 있으며, 보다 오랜 시간 동안 안정했다고 보고했다.

이번 연구를 주도한 Gerald Manbeck 박사는 “수소 생산을 위한 효율적인 분자 시스템을 개발이 어려운 이유는 여러 가지 공정이 다른 속도로 일어나야 하기 때문”이라고 설명했다. 전하가 분해되기 전에 수소의 촉매 전환을 완료하는 일(음으로 하전된 빛에 하전된 전자와 빛 에너지를 흡수한 여기된 분자 후에 양으로 하전된 구멍이 남는 과정)은 낭비적인 열을 생산하는 것이기 때문에 주요 도전거리 중 하나이다 라고 덧붙였다. 또 다른 복잡성은 수소 분자를 생산하는데 두 개의 전자가 필요하다는 것이다. 촉매가 일어나기 위해서는 시스템은 첫번째 전자를 두 번째 전자가 나타나기에 충분할 만큼 잡고 있을 수 있어야 한다고 설명했다.

연구팀은 독립적인 다중 빛 흡수기를 가진 초분자를 만듦으로, 각 전자를 생산적으로 사용할 수 있는 가능성과 낮은 빛 조건에서도 기능을 할 수 있는 분자의 능력을 향상시킬 수 있었다”고 설명했다.