KR101584859B1 - 생물전기화학전지의 산화전극 - Google Patents

생물전기화학전지의 산화전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이드로젤로 표면 개질한 탄소 기반 전도성 물질과, 상기 표면 개질된 탄소 기반 전도성 물질이 고정되는 전도성 집전체를 포함하여 구성되는 생물전기화학전지용 산화전극을 제공한다. 또한, 본 발명은 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체와, 상기 복합체가 고정된 전도성 집전체를 포함하여 구성되는 생물전기화학전지용 산화전극을 제공한다. 본 발명에 따른 산화전극은 생물전기화학전지의 효율 향상에 크게 기여할 수 있고, 제조 비용을 낮출 수 있다.

Description

생물전기화학전지의 산화전극 {Anion for bioelectrochemical cell}
본 발명은 생물전기화학전지의 산화전극에 관한 것으로, 상세하게는 산화전극에 사용되는 기초 재료를 개선하여 내부 저항을 줄이고 전력밀도를 향상시킨 새로운 산화전극을 제안한다.
생물전기화학전지는 하폐수에 함유된 유기오염물질을 원료로 이용함으로써 하폐수를 처리함과 동시에 부산물로 전기에너지 또는 수소, 메탄 등의 부산물을 생산할 수 있어 하폐수처리 분야에서 새롭게 각광을 받고 있는 녹색기술이다.
유기오염물질을 함유한 생활하수, 산업폐수, 축산폐수 등은 그 동안 활성슬러지공법을 기반으로 한 여러 가지 호기성생물학적 방법으로 처리하여 왔다. 그러나, 활성슬러지공법에 기반을 둔 생물학적 처리법들은 대부분 생물반응조를 교반하고 호기성미생물이 유기오염물을 분해하는데 필요한 산소를 공급하기 위하여 송풍기를 이용하여 폭기하고 있는데, 생물반응조를 폭기하기 위하여 송풍기를 가동하기 위해서는 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 또한, 하폐수를 호기성생물학적 처리법으로 처리하는 과정에서는 최종처분에 어려움을 겪고 있는 슬러지가 다량 발생한다. 따라서, 최근에는 폭기를 필요로 하지 않고 슬러지 발생량이 작으며, 메탄이나 수소와 같은 물질을 부산물로 생산할 수 있는 혐기성공법에 의한 처리기술들에 대한 관심이 높아지고 있다.
생물전기화학전지는 혐기성 상태에서 유기물질에 함유된 화학에너지를 전기적으로 활성을 가진 미생물을 이용하여 전기에너지 또는 바이오가스 등으로 직접 전환시키는 장치이다.
생물전기화학전지의 기본구조는 전기적으로 활성을 가진 미생물이 부착되어 성장하며 혐기성 상태에서 유기물을 분해하여 생산되는 전자를 직접 수용하여 회로를 통하여 환원전극으로 전달시키는 산화전극과, 유기물의 분해로부터 생성된 양성자 및 산화전극에서 전달되어온 전자 그리고 산소 등의 최종전자수용체가 결합하는 환원전극, 산화전극과 환원전극 사이의 분리막, 그리고 산화전극으로부터 환원전극으로 전자를 이동시키기 위하여 산화전극과 환원전극을 도선으로 연결한 외부회로로 이루어진다.
이때 외부회로에는 축전지, 전열기 등을 설치하여 전지에서 생산한 전기에너지를 생산하는 경우 미생물연료전지라 한다. 반면, 환원전극에 최종전자수용체인 산소 등을 공급하지 않는 경우 메탄, 수소 등이 발생하는데 이러한 형태의 생물전기화학전지를 미생물전해전지라 한다. 미생물전해전지의 경우 환원전극의 반응을 효율적으로 진행시키기 위하여 외부전원을 이용하여 전기에너지를 전지에 인가하는 것이 일반적이다.
생물전기화학전지에 대한 연구가 지난 10여 년간 활발하게 진행되어 왔음에도 몇 가지 문제로 하폐수 처리 현장에서 아직까지 활용하지 못하고 있다. 실용화를 위해서는 먼저 생물전기화학전지를 구성하는 산화전극, 환원전극, 분리막 등이 저렴하여야 하며, 전지의 제조비용이 기존의 호기성 생물학적공법에 비하여 크게 높지 않아야한다. 또한 전지의 성능이 우수하여 많은 양의 전력 또는 바이오가스 등의 부산물을 생산할 수 있어야 한다.
폐수를 처리하면서도 전기도 생산할 수 있는 미생물연료전지는 하폐수를 지속 가능한 원료로 활용할 수 있어 비용 절감 측면에서 유리하고 전기 에너지 생산이라는 경제적 이득도 달성할 수 있기 때문에 최근 지구온난화와 외국의 원전 사태 등을 겪으면서 특히 높은 관심을 받고 있다.
미생물연료전지에서 생성되는 전력은 유기물의 분해로부터 생성되어 산화전극으로 이동한 전자에 의존하기 때문에 산화전극의 효율은 전체 미생물연료전지의 성능에 영향을 미치는 가장 큰 요소 중의 한가지이다.
미생물연료전지에서 산화전극이 갖추어야 할 요건들을 살펴보면 다음과 같다. i) 전도성이 크고, ii) 표면은 전기적으로 활성을 가진 미생물이 쉽게 부착 성장할 수 있도록 생물친화도가 높아야 하며, iii) 미생물이 부착 성장할 수 있는 넓고 큰 표면적을 가진 다공성 물질이어야 하며, iv) 생물학적 및 화학적으로 안정하여 내구성이 있어야 하며, v) 전극의 형태로 쉽게 가공할 수 있도록 제조성이 좋아야 하며, vi) 저렴한 재료이어야 한다. 또한, vii) 미생물의 과대번식으로 인한 막힘 현상이 없어야하며, viii) 규모 확대가 용이하여야 한다.
현재까지 연구된 산화전극은 주로 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle), 흑연펠트(graphite felt, GF), 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush) 등의 탄소기반의 전도성 물질들이 사용되었다.
그러나, 이러한 탄소기반의 재료들은 전기전도도와 생물친화도가 높지 않거나, 전기적으로 활성을 가진 미생물이 부착성장 가능한 표면적이 한정되어 있으며, 전극의 표면에서 전자전달을 위한 활성화 에너지가 컸다.
따라서 미생물연료전지의 높은 전력을 얻기 위해서 산화전극의 개선연구가 필요하다.
상기와 같은 관련기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 미생물연료전지 등의 생물전기화학전지의 실용화를 앞당기기 위해서 저렴하고 고효율인 산화전극 재료를 제공하는데다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전도성이 높고 화학적으로 안정하여 내구성이 있어야 하며, 비표면적이 넓고 생체적합성이 뛰어난 산화전극을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하이드로젤로 표면 개질한 탄소 기반 전도성 물질과, 상기 표면 개질된 탄소 기반 전도성 물질이 고정되는 전도성 집전체를 포함하여 구성되는 생물전기화학전지용 산화전극을 제공한다. 상기 탄소 기반 전도성 물질의 표면은 하이드로젤과 탄소나노튜브 복합체로 표면 개질할 수 있다.
상기 탄소 기반 전도성 물질은 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle), 흑연펠트(graphite felt, GF), 또는 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush) 중의 어느 하나를 이용할 수 있다. 상기 탄소 기반 전도성 물질은 질산으로 처리하여 표면이 친수성으로 개질하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체와, 상기 복합체가 고정된 전도성 집전체를 포함하여 구성되는 생물전기화학전지용 산화전극을 제공한다.
상기 복합체의 탄소나노튜브는 질산으로 표면을 활성화시킨 다중벽탄소나노튜브(Multiwall carbon nano tube: MWCNT)인 것이 바람직하며, 상기 복합체에서 팽창 흑연과 탄소나노튜브의 혼합비는 1:0.5 ~ 1:2.0 인 것이 바람직하다.
상기 팽창 흑연은 음이온 계면활성제로 표면 처리될 수 있고, 이 경우 상기 음이온 계면활성제의 농도는 5 mmol ~ 10 mmol 인 것이 바람직하다.
상기 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체는 결합제로 Nafion 을 사용하여 복합될 수 있고, 제조 비용을 고려할 때 결합제로서 Nafion과 Epoxy를 50:50 ~ 75:25의 비율로 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명은 전술한 산화전극과, 환원전극 및 분리막을 포함하는 생물전기화학전지를 제공한다. 이 경우 상기 환원전극은 일면에 복합금속촉매층이 고정되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 하이드로젤로 탄소기반 전도성 물질로 구성되는 산화전극의 표면을 개질하여 활성화저항을 감소시킬 수 있으며, 하이드로젤과 탄소나노튜브 복합체를 이용하여 산화전극을 표면 개질함으로써 활성화 저항과 오옴저항을 동시에 감소시킬 수 있다. 그 결과, 산화전극의 전체 내부저항을 줄여 전력밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 팽창흑연과 탄소나노튜브를 이용하여 산화전극을 설계함으로써 미생물들이 군집을 이룰 수 있도록 넓은 표면적을 제공함과 더불어 산화전극의 전자전달능력이 향상되어 활성화 저항과 오옴 저항을 감소시키고, 전력밀도의 향상이 가능하다. 또한 계면활성제로 산화전극의 표면을 개질하여 전기적 활성을 가진 미생물들의 분포를 향상시킬 수 있으며, 내부 저항을 낮추어 전력밀도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 산화전극은 생물전기화학전지의 효율 향상에 크게 기여할 수 있고, 제조 비용을 낮추는데도 효과적이다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 산화전극을 보인 사진
도 2는 본 발명에서 사용한 미생물연료전지의 구조를 보인 모식도
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화전극의 분극 실험 결과를 도시한 그래프
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 산화전극을 보인 사진
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화전극의 분극 실험 결과를 도시한 그래프
도 6a 내지 6d는 제2 실시예에 따른 산화전극의 SEM 사진
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 산화전극을 보인 사진
도 8a 내지 8d는 제3 실시예에 따른 산화전극의 SEM 사진
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따라 제조된 산화전극을 보인 사진
본 발명은 생물전기화학전지에 효과적으로 사용될 수 있도록 설계된 고효율 산화전극을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라 설계된 산화전극은 하이드로젤로 표면 개질한 탄소 기반 전도성 물질을 포함한다. 하이드로젤은 생물친화도가 높은 물질으로서 수분과 영양분의 공급이 자유로운 다공성구조로서 내부에 미생물의 생육에 적합한 환경을 제공한다. 또한, 상기 탄소 기반 전도성 물질의 표면은 하이드로젤과 탄소나노튜브 복합체로 표면 개질할 수 있으며, 이 경우 내부 저항을 감소시켜 미생물연료전지 등의 전력밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 탄소 기반 전도성 물질은 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF), 흑연입자(graphite particle), 흑연펠트(graphite felt, GF), 또는 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush) 중의 어느 하나일 수 있으며, 이외에도 전도성이 있는 각종 탄소 기반 물질이 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라 설계된 산화전극은 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체를 포함한다. 팽창흑연(Exfoilated Graphite : EG)은 흑연(Graphite)을 크롬산 및 황산용액으로 산화시키고, 이를 높은 온도에서 열처리하면 흑연의 층상구조를 붕괴시켜 초기부피의 보다 100~700%로 팽창시킨 물질로서, 저렴하고 생물친화성이 높으며, 미생물이 이용 가능한 유효 표면적이 넓어 미생물연료전지의 산화전극으로 이용하는데 많은 장점이 있다. 본 발명에서는 팽창 흑연을 이용한 산화전극의 전도성을 더욱 향상시키기 위하여 팽창흑연에 탄소나노튜브를 여러 비율로 혼합하여 혼합비율에 따른 산화전극의 효율을 향상시킨다.
본 발명은 또한 팽창 흑연을 음이온 계면활성제로 표면 처리하여 생물 친화도를 더욱 향상시킨다. 산화전극의 표면을 음이온계면활성제로 처리할 경우 표면의 전하가 변하기 때문에 전기적으로 활성을 가진 미생물 부착 성장 및 전자전달효율에 영향을 줄 수 있다.
한편, 산화전극의 결합제로 사용되는 Nafion solution의 높은 가격을 고려하여 본 발명에서는 상기 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체는 결합제로 Nafion과 Epoxy 혼합물을 이용함으로써 제조 경제성을 확보할 수도 있다.
이상 설명한 본 발명의 생물전기화학전지의 구체적인 실시예를 설명하며, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 - 하이드로젤 및 MWCNT로 표면 개질된 산화전극
산화전극을 제작하기 위해서 상용 흑연직물섬유(graphite fiber fabric, GFF, Samjung C&G Co., Korea), 흑연펠트(GF, Samjung C&G Co., Korea) 및 MWCNT(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd., Korea)를 준비하였다.
준비된 흑연직물섬유 및 흑연펠트로 각각 산화전극을 제조하였고, 흑연직물섬유로 이루어진 산화전극의 표면을 개선하기 위하여, 하이드로젤 및 하이드로젤/MWCNT 복합물질을 이용하여 표면을 개질한 산화전극을 제작하였다.
a: 흑연직물섬유(Graphite Fiber Fabric : GFF) 산화전극
GFF 는 16 ㎠ (4 cm × 4 cm) 크기로 잘랐으며, GFF 표면에 존재하는 불순물을 제거하고, 친수성으로 만들기 위하여 진한 질산용액에 24시간 동안 침지시켰다. 질산 처리된 GFF는 중화시키기 위하여 pH 7이 될 때까지 흐르는 수돗물로 잔류 질산을 세척하였다. GFF 산화전극(GFFA)은 나일론실을 이용하여 집전체로 산화전극과 같은 크기의 스테인리스 스틸 망 (30 mesh)에 고정시켜 제작하였다(도 1a 참조).
b: 흑연 펠트(Graphite Felt : GF) 산화전극
GF는 16 ㎠ (4 cm × 4 cm) 크기로 잘라 준비하였다. GF 산화전극(GFA)은 철사를 이용하여 집전체로 산화전극과 같은 크기의 스테인리스 스틸 망 (30mesh)에 고정시켜 제작하였다(도 1b 참조).
c: 하이드로젤 흑연직물섬유 (Hydrogel-Graphite Fiber Fabric : H-GFF) 산화전극
하이드로젤로 표면 처리한 GFF 산화전극(H-GFFA)은 다음과 같은 방법으로 제작하였다. 먼저 하이드로젤은 아실산단량체 10g을 수산화칼륨 7.5g으로 넣어 중화시켰으며, 가교제로 사용한 N,N`-(dimethylene) arylamide 0.02g을 혼합액에 녹였다. 라디칼 개시제(radical initiator)로 과황산칼륨 0.15g을 첨가하였으며, 혼합액을 질소 가스를 공급하면서 30분간 80℃의 수욕조에서 교반시켜 하이드로젤을 제조하였다. 준비된 하이드로젤을 질산처리된 GFF의 표면에 일정량(1.4g/cm2)을 가하여 개질하였으며, 표면 개질된 GFF를 동일한 크기(4 cm × 4 cm)의 스텐망에 나일론실을 이용하여 고정함으로써 하이드로젤로 표면개질한 GFF 전극(H-GFFA)을 준비하였다(도 1c 참조).
d: 하이드로젤/MWCNT-흑연직물섬유 (Hydrogel/MWCNT-Graphite Fiber Fabric : HC-GFFA) 산화전극
하이드로젤/MWCNT 산화전극(HC-GFFA)의 제조에 사용된 하이드로젤/MWCNT 복합체는 다음의 방법으로 제조하였다. 아실산단량체 10g을 수산화칼륨 7.5g으로 충분히 중화시키고, 질산으로 처리한 뒤 건조시킨 MWCNT를 아실산 용액에 초음파를 이용하여 분산시켰다. 가교제로 N,N`-(dimethylene) arylamide를 0.02g을 혼합액에 녹이고, 라디칼 개시제로 과황산칼륨 0.15g을 첨가하였으며, 30분간 80℃의 수욕조에서 교반시켜 혼합액을 제조하였다. 하이드로젤/MWCNT 복합체를 질산처리한 GFF 표면에 일정량(1.4g/cm2)을 가하여 하이드로젤/MWCNT 복합체로 표면 개질한 GFF를 준비하였다. 하이드로젤/MWCNT 복합체로 표면 개질된 GFF는 동일한 크기의 스텐망에 나일론실을 이용하여 고정함으로써 하이드로젤/MWCNT 복합체로 개질한 GFF 산화전극(HC-GFFA)을 제작하였다(도 1d 참조).
제조된 각 산화전극의 성능을 평가하기 위하여 아크릴수지로 제작된 큐브형 단일챔버 미생물연료전지 반응조 (유효부피 972 mL; 9cm × 9cm × 12cm)를 사용하였다(도 2 참조). 반응조(10)의 수직면에는 정사각형의 창(4 cm × 4 cm) 형태의 경계틀(50)을 설치하였으며, 각각의 창에서 공기와 접한 바깥쪽에는 환원전극(30)을 설치하였다. 각 창에서 용액과 접한 내면에는 산화전극(20)을 설치하였다. 산화전극과 환원전극은 각각 4개씩 준비하였으며, 산화전극과 환원전극의 사이에는 면적이 16 ㎠ (4 cm × 4 cm)인 폴리프로필렌 부직포를 분리막(40)으로 설치하였다. 집전체로는 스테인리스 스틸 망(30 mesh)을 사용하였다.
공기 환원전극은 면적이 36 ㎠ (6 cm × 6 cm)로 제작하였고 촉매 층의 유무에 따라 기본환원전극과 복합금속촉매환원전극으로 나누어 제작하였다. MWCNT를 진한 질산용액에 6시간 동안 침지시킨 뒤 흐르는 수돗물로 pH 7이 될 때까지 세척한 뒤 건조하여 친수성 MWCNT를 준비하였다. 환원전극에서 MWCNT의 결합제로는 PTFE (polytetrafluroethylene, 60% wt. dispersion in water, Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA)를 사용하였다. 질산처리 된 MWCNT (70%wt.)와 PTFE(30%wt.) 혼합물을 스텐망 (STS 316L, 30mesh, 4 cm × 4 cm)에 스크린 프린팅하여 소수성 MWCNT 층을 만들었다. 소수성 MWCNT 층을 가진 스텐망의 한쪽 면에 PTFE 용액을 3회 브러쉬하여 370℃에서 20분간 열압착함으로써 공기 소통이 가능한 방수막을 가진 MWCNT 기본환원전극을 제작하였다.
복합금속촉매환원전극은 질산처리된 MWCNT 1.875g, MnSO4·H2O 0.125g, KMnO4 19.75g, FePc 0.5684g, CuPc 0.5761g을 증류수 1L에 녹이고 2시간 동안 교반하여 복합금속 촉매 용액을 준비하였다. 준비된 용액을 1분 30초간 극초단파처리하고 60초 냉각하는 과정을 5회 반복하여 복합금속촉매를 MWCNT 표면에 고정하였다. Fe-Cu-Mn 복합금속촉매가 고정된 MWCNT는 막자사발을 이용하여 분쇄하였으며, Nafion 용액 (30%wt., Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA)을 결합제로 사용하여 반죽을 만든 뒤 기본 환원전극의 한 면에 스크린프린팅기법 도포하여 Fe-Cu-Mn 복합금속촉매 환원전극을 제작하였다.
제조된 각각의 산화전극과 환원전극의 집전체를 도선으로 연결하여 외부회로를 구성하였으며, 회로에는 200Ω의 외부저항을 설치하였다. 준비된 MFC 반응조는 수온이 30℃가 유지되도록 조절되는 항온조에 설치하였으며, 운전하는 동안 마그네틱 바를 사용하여 산화전극 내용물을 교반기를 이용하여 200rpm으로 연속교반 하였다.
식종슬러지는 S 하수종말처리장의 혐기성 소화조에서 채취하여 준비하였다. 시험에 사용한 폐수는 초산(1000mg/L), 인산염완충용액 (50mM), 미네랄 (12.5mL/L), 비타민 (12.5mL/L)으로 합성하여 제조하였다. 초기운전을 위하여 7대 3의 비율로 합성폐수와 혐기성 슬러지를 반응조에 주입하였다. 미생물연료전지는 회분식으로 운전하였으며, 관측한 전압이 30mV 이하로 감소하였을 때 기질이 고갈된 것으로 보아 반응조 내의 인공폐수를 교환하였다.
제조된 미생물연료전지의 성능에 대한 산화전극의 영향을 평가하기 위해 최대전력밀도에서 활성화저항(Ract), 오옴저항(Rohm) 및 분극저항(Rconc) 값을 구한 후 표 1에 나타내었다.
Anode Ract(Ω) Rohm(Ω) Rconc(Ω) Total(Ω)
GFFA 79.9 12.9 3.2 96
H-GFFA 71.9 8.7 3.2 83.8
HC-GFFA 75.8 3 3.9 82.7
GFA 101.4 35.7 1.9 139
활성화저항의 경우 GFA 산화전극을 사용한 경우 101.4Ω으로서 가장 큰 값을 보였으나, GFF에 기반을 둔 산화전극을 사용한 경우 71.9Ω에서 79.9Ω의 값을 보였다. 오옴저항의 경우는 GFA의 경우 약 35.7Ω으로서 가장 큰 값을 보였으며, GFFA는 12.9Ω, H-GFFA는 8.7Ω, HC-GFFA의 경우 3.0Ω으로서 산화전극의 종류에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 분극저항의 경우 GFA의 경우 1.9Ω으로서 가장 작았으나, GFF를 기반으로 한 산화전극을 설치한 모든 전지에서 3.2 ~ 3.9Ω으로서 GFA와 큰 차이가 없었다.
따라서, 전체 내부저항은 주로 활성화저항과 오옴저항에 의해 결정되는 것으로 평가되었다. 특히, 하이드로젤 및 하이드로젤/MWCNT 복합물질로 표면 개질한 H-GFFA 및 HC-GFFA 산화전극을 사용한 경우 전체 내부저항 값이 82.7Ω 및 83.7Ω으로서 GFA 산화전극을 사용한 경우의 139.0Ω 보다는 크게 작았다.
기본 환원전극을 Fe-Cu-Mn 복합금속촉매 환원전극으로 교체한 후 시험한 4종류의 산화전극을 담지한 미생물연료전지의 전압은 모두 크게 증가한 것을 확인하였으며, 특히 하이드로젤/MWCNT 복합체로 표면을 개질한 GFF 산화전극을 담지한 HC-GFFA의 전압은 약 0.45V로서 가장 큰 값을 보였고, H-GFFA는 약 0.4V, GFFA는 0.38V 그리고 GFA는 0.36V 순이었다.
복합금속촉매 환원전극을 사용한 경우, 각 산화전극에 대해 개방회로 전압을 측정하고, 최대전력밀도를 구하여 표 2에 나타내었다.
Anode OCVanode(V) OCVcathode(V) OCVcell(V) Max Power density(mW/m2)
GFFA -0.511 0.114 0.625 910
H-GFFA -0.461 0.111 0.572 858
HC-GFFA -0.567 0.106 0.673 1,162
GFA -0.554 0.118 0.672 1,008
개회로상태의 전압은 HC-GFFA 및 GFA의 경우 각각 0.673 및0.653V로서 높은 값을 보였으나, GFFA 및 H-GFFA는 각각 0.625 및 0.652V로서 상대적으로 낮았다.
분극곡선으로부터 구한 최대전력밀도는 GFFA의 경우 910mw/m였으나, HC-GFFA의 경우 1,162mw/m2 로서 CNT/하이드로젤 복합체를 이용하여 GFF의 표면을 개질한 산화전극의 경우 최대전력밀도는 약 27.7% 증가한 것을 확인할 수 있었다(도 3 참조).
복합금속촉매 환원전극을 사용한 미생물연료전지에서 산화전극의 종류에 따른 내부저항을 확인하여 표 3에 나타내었다.
Anode Ract(Ω) Rohm(Ω) Rconc(Ω) Total(Ω)
GFFA 22 21.3 3 46.3
H-GFFA 19 26.1 0.7 45.8
HC-GFFA 10.9 20.2 4.2 35.2
GFA 23.4 18.3 5.4 47.1
산화전극의 종류에 따른 활성화저항은 GFA(23.4Ω) > GFFA(22Ω) > H-GFFA(19Ω) > HC-GFFA(10.9Ω) 순이었다. GFA에 비해 GFFA의 낮은 활성화저항은 GFFA의 큰 비표면적에 기인한 것으로 평가되었다. 하이드로젤 및 CNT/하이드로젤 복합체를 이용한 산화전극 표면개질이 산화전극의 활성화저항 감소에 기여함을 알 수 있다.
오옴저항의 경우는 GFA가 18.3Ω으로서 가장 낮았으며, HC-GFFA의 경우 20.2Ω 이었다. 그러나, H-GFFA의 경우는 26.1Ω으로서 가장 큰 값을 보였다. H-GFFA의 경우 표면개질에 사용된 하이드로젤이 비전도성물질이기 때문에 오옴저항이 큰 것으로 평가되었다. HC-GFFA의 경우 CNT/하이드로젤 복합체의 경우 낮은 내부저항은 하이드로젤과 하이드로젤 사이에 서로 링크되어 존재하는 전도성 MWCNT에 의해 오옴저항이 감소하였기 때문으로 평가된다. HC-GFFA에 대한 활성화저항 및 오옴저항에 대한 결과는 CNT/하이드로젤 복합체는 산화전극의 생물친화도와 전도성을 향상시키는 우수한 산화전극 표면개질제임을 확인할 수 있다.
산화전극의 종류에 따른 분극저항의 크기는 큰 차이가 없었으며, 활성화저항과 오옴저항에 비하여 분극저항의 크기가 상대적으로 작아 전체 내부저항에 미치는 분극저항에 미치는 영향은 작았다. 그러나, 최대 전류밀도에서는 분극저항은 GFA가 5.4으로서 가장 컸으며 H-GFFA는 0.7으로서 가장 작았다.
HC-GFFA 산화전극을 사용한 미생물연료전지의 높은 전력밀도는 상대적으로 큰 OCV 값과 작은 총내부저항에 의한 것으로 평가되었다. 그러나, H-GFFA의 경우 GFA에 비해 내부저항이 작음에도 전력밀도가 낮은 것은 낮은 OCV에 기인함을 알 수 있다.
결국, 하이드로젤로 산화전극의 표면을 개질할 경우 활성화저항을 감소시킬 수 있으며, 하이드로젤/MWCNT 복합체를 이용하여 산화전극을 표면 개질할 경우 활성화 저항과 오옴저항을 동시에 감소시킴으로써 전체 내부저항을 줄여 미생물연료전지의 전력밀도 향상이 가능하였다.
실시예 2 - 팽창흑연 및 다중벽 탄소나노튜브를 이용한 산화전극
본 실시예에서 사용된 전지 구조는 실시 예 1과 같으며, 환원전극 및 운전조건은 실시 예 1 에서와 동일하고, 산화전극을 다르게 제조하였다.
산화전극의 표면적 증가 및 전도성을 개선하기 위하여 팽창흑연(Expanded Graphite : EG)과 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube : MWCNT)를 여러 비율로 혼합하여 혼합비율에 따른 산화전극의 효율을 비교 평가하였다. 산화전극 재료로서 grpahite(현대코마산업), MWCNT(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd., Pohang, Korea), Hydrazine(80%, chameleon reagent, japan) Nafion Solution (30%wt., Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA)을 준비하였다.
먼저, EG를 제조하기 위해 산 처리 된 graphite를 microwave에서 10초간 열처리하여 EGO(Exfoilated Graphite Oxidation)를 준비하였다. EGO를 pH 7이 될 때까지 증류수로 세척하여 건조시킨 후 EGO의 표면을 환원시키기 위해서 증류수와 hydrazine을 1000:1의 비율로 혼합된 용액에 넣은 뒤 microwave에서 20분간 다시 열처리를 하고 건조시켜 EG를 제조하였다. MWCNT는 표면에 존재하는 불순물을 제거하고, 친수성으로 만들기 위하여 진한 질산용액에 6시간 동안 침지시켰다. 질산 처리된 MWCNT는 중화시키기 위해 흐르는 수돗물로 pH 7이 될 때까지 세척한 뒤 건조하여 친수성 MWCNT를 준비하였다.
산화전극은 EG와 MWCNT를 혼합하여 제작하였으며, 혼합비는 표 4와 같다. 각각의 혼합비로 준비한 재료를 Nafion solution 2ml와 ethyl alcohol 10ml에 혼합하여 16 ㎠ (4 cm × 4 cm)인 스텐망(30 mesh)집전체에 부착시켜 산화전극을 제작하였다(도 4 참조).
Anode EG MWCNT 혼합비
EG 0.5g 0g 1:0
EG/CNT 0.5 0.5g 0.25g 1:0.5
EG/CNT 1.0 0.5g 0.5g 1:1
EG/CNT 2.0 0.5g 1g 1:2
산화전극들을 설치한 미생물연료전지의 최대전력밀도를 평가하고 성능에 대한 제한요인을 찾기 위하여 개회로상태에서 산화전극과 환원전극 각각의 OCV를 측정하여 표 5에 나타내었다.
Anode OCVanode(V) OCVcathode(V) OCVcell(V) Max Power density(mW/m2)
EG -0.415 0.116 0.531 606
EG/CNT 0.5 -0.466 0.121 0.587 1035
EG/CNT 1.0 -0.479 0.112 0.591 1,278
EG/CNT 2.0 -0.529 0.118 0.647 1,444
측정한 미생물연료전지의 OCV 값은 EG/CNT 0.5 산화전극, EG/CNT 1.0 산화전극, EG/CNT 2.0 산화전극의 경우 0.587 ~ 0.647V로서 EG 산화전극의 0.531V보다 다소 높았다. 분극곡선으로부터 구한 최대전력밀도는 EG 산화전극의 경우 606mW/m2 였으나, EG/CNT 2.0 산화전극의 경우 1,444mW/m2 로서 최대전력밀도는 약 140%가 증가하였다. 그리고, EG/CNT 1.0 산화전극의 경우 최대전력밀도는 1278mW/m2 로서 EG/CNT 0.5 산화전극의 1035mW/m2 보다 높은 것을 알 수 있다(도 5 참조).
제조된 각각의 산화전극의 내부저항을 살펴보기 위하여 활성화저항(Ract), 오옴저항(Rohm) 및 분극저항(Rconc) 값을 구한 후 표 6에 나타내었다.
Anode Ract(Ω) Rohm(Ω) Rconc(Ω) Total(Ω)
EG 28.4 18.88 0.23 47.51
EG/CNT 0.5 19.31 12.75 0.18 32.24
EG/CNT 1.0 15.88 6.75 0.24 22.87
EG/CNT 2.0 14 1.85 0.23 16.08
산화전극의 종류에 따른 활성화저항은 EG산화전극 (28.4Ω) > EG/CNT 0.5 산화전극(19.31Ω) > EG/CNT 1.0 산화전극(15.88Ω) > EG/CNT 2.0 산화전극(14Ω)순이었다. 산화전극에서 CNT의 비율이 높아질수록 활성화 저항이 낮아진 것으로 평가되었다.
오옴저항의 경우는 EG/CNT 2.0 산화전극이 1.85Ω 으로서 가장 낮았으며, EG/CNT 1.0 산화전극의 경우 6.75Ω , EG/CNT 0.5 산화전극은 12.75Ω 이었다. EG 산화전극의 경우는 18.88Ω 으로서 가장 큰 값을 보였다. 이 결과 역시 CNT의 비율이 높아질수록 오옴저항이 감소했다는 것을 보여준다. EG/CNT 2.0 산화전극에 대한 활성화저항 및 오옴저항에 대한 결과는 CNT가 산화전극의 생물친화도와 전도성을 향상시키는 우수한 산화전극 물질임을 나타낸다.
각 산화전극의 미생물군집을 비교하기 위해 SEM 사진을 확인한 결과, 도 6a 내지 6d에 도시한 바와 같이 EG의 넓은 표면적으로 인해 4개의 산화전극에서 많은 미생물들이 서식하고 있음을 볼 수 있다.
EG 산화전극과 EG/CNT 0.5 산화전극에 비해 EG/CNT 1.0 산화전극과 EG/CNT 2.0 산화전극에서 CNT의 비율이 증가함에 따라 CNT의 그물구조와 미생물들간의 나노와이어가 생성되어있는 것을 관찰하였다. CNT의 그물구조로 인해 내부 저항이 낮아지고, 전기적 활성을 가진 미생물에서 생성된 전자를 수직적 이동을 활발하게 하여 미생물연료전지의 효율을 증가시켰음을 알 수 있다.
결국, 팽창흑연 및 탄소나노튜브를 이용한 산화전극은 EG의 넓은 표면적으로 인해 미생물들이 군집을 이루고 있으며 미생물들 간 나노와이어를 형성할 수 있고, CNT의 혼합비율이 증가할수록 산화전극의 전자전달능력이 향상되어 활성화 저항과 오옴 저항을 감소시켜 전체 내부저항이 낮출 수 있으며 미생물연료전지의 전력밀도 향상이 가능하였다.
실시예 3-계면활성제를 이용한 팽창흑연/탄소나노튜브 산화전극의 표면개질
본 실시예에서 사용된 전지 구조는 실시 예 1과 같으며, 환원전극 및 운전조건은 실시 예 1 에서와 동일하고, 산화전극을 다르게 제조하였다.
EG(Exfoilated Graphite)와 MWCNT(Multi-Walled Carbon NanoTube) 복합체를 이용하여 제작한 산화전극의 표면을 다양한 농도의 음이온 계면활성제로 처리하여 개질하여 제작하였다. 산화전극 재료로 grpahite(현대코마산업), MWCNT(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd., Pohang, Korea), Nafion Solution (30%wt., Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA), 음이온 계면활성제(sodium dodecyl sulfate)를 준비하였다.
EG(Exfoilated graphite) 준비를 위하여 산 처리 된 분말흑연을 구입하였으며, microwave에서 10초간 열처리한 뒤 pH 7이 될 때까지 증류수로 세척하여 건조시켜 EGO(Exfoilated graphite oxide)를 준비하였다. 환원제인 hydrazine을 증류수와 1/1000의 비율로 혼합한 뒤 EGO를 주입하여 20분간 열처리한 뒤 건조하였다. 표 7에서와 같은 농도비율로 음이온 계면활성제(sodium dodecyl sulfate: SDS)를 준비한 뒤 EG와 혼합하여 microwave에서 20분간 열처리하고 건조시켜 준비하였다.
Anode 음이온 계면활성제 농도
EG/CNT 0 mmol
EG(SDS)/CNT 5 5 mmol
EG(SDS)/CNT 10 10 mmol
EG(SDS)/CNT 15 20 mmol
MWCNT는 진한질산용액에 6시간 동안 침지시킨 뒤 흐르는 수돗물로 pH 7이 될 때까지 세척한 뒤 건조하여 친수성 MWCNT를 준비하였다.
최종적으로 산화전극은 EG와 MWCNT를 1:2의 비율로 혼합하여 Nafion solution 2mL와 ethyl alcohol 10mL에 혼합하여 스테인리스 스틸 망(30mesh)에 스크린프린팅법으로 부착시켜 제작하였다(도 7 참조).
EDS로 각 산화전극의 표면을 분석한 결과 Na+값이 계면활성제 농도별로 다른 값으로 측정되는 것을 확인하였으며, 이를 통해 계면활성제가 산화전극에 농도별로 처리가 되었음을 알 수 있었다.
또한, 계면활성제를 이용한 팽창흑연/다중벽 탄소나노튜브 산화전극의 SEM사진을 통해 계면활성제 처리를 한 산화전극과 처리하지 않은 산화전극은 서로 다른 미생물의 형태를 보이는 것을 확인하였다(도 8a 내지 8d 참조). EG/CNT 산화전극과 달리 계면활성제로 처리한 산화전극의 표면에서 전기적 활성을 가진 다른 미생물들이 우점종으로 서식하는 것으로 평가되었다.
한편, 내부저항 및 전력밀도를 확인한 결과 계면활성제의 농도가 5 mmol일 때 활성화 저항과 오옴저항이 낮게 측정이 되어 높은 전력밀도를 보였고, 농도가 10 mmol 이상일 때는 활성화저항과 오옴저항이 상승하여 낮은 전력밀도를 보이는 것을 확인하였다.
실시예 4 - 산화전극 결합제
본 실시예에서 사용된 전지 구조는 실시 예 1과 같으며, 환원전극 및 운전조건은 실시 예 1 에서와 동일하고, 산화전극을 다르게 제조하였다.
산화전극을 제작하기 위해서 MWCNT(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd., Pohang, Korea), grpahite (현대코마산업), 에폭시(Axia EP-30G, Alteco Koera Inc), Nafion solution(30%wt., Sigma-Aldrich Co., St. Louis, USA)을 준비하였다. 산화전극 결합제로서 에폭시와 Nafion solution을 여러 비율로 혼합하고, 혼합비율에 따른 산화전극의 효율을 비교 평가하였다.
EG와 CNT의 혼합 비율은 질량비를 1:2로 고정하였고, 결합제로는 Nafion solution과 Epoxy를 각각의 비율로 혼합하여 사용하였다. 혼합비는 표 8과 같다. 여기에 ethyl alcohol 10ml를 혼합하여 16㎠(4 cm × 4 cm)인 스텐망(30 mesh) 집전체에 스크린 프린팅법으로 부착시켜 산화전극을 제작하였다(도 9 참조).
Anode Nafion Solution (ml) Epoxy (g)
Nafion 100% 2 ml 0 g
Epoxy 50% Nafion 50% 1 ml 2 g
Epoxy 75% Nafion 25% 0.5 ml 3 g
Epoxy 100% 0 ml 4 g
산화전극 결합제로서 에폭시와 Nafion solution을 여러 비율로 달리한 결과, Nafion 100% 산화전극이 활성화 저항과 오옴저항이 가장 낮게 측정되었고, 낮은 총 내부저항으로 가장 높은 전력밀도를 보였다.
그러나 산화전극 제작시 결합제 비용은 Nafion 100% 인 경우가 Nafion 50%와 epoxy 50% 을 혼합한 경우 보다 두 배가 증가되며, 각각의 경우 최대전력밀도 차이가 400mW/m2 정도인 것을 고려할 때 제조 경제성 측면에서는 결합제로 혼합물을 사용하는 것이 더 나은 것으로 평가되었다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10: 반응조 20: 산화전극
30: 환원전극 40: 분리막
50: 경계틀

Claims (15)

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  7. 음이온 계면활성제로 표면 처리된 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체와,
    상기 복합체가 고정된 전도성 집전체를 포함하여 구성되는
    생물전기화학전지용 산화전극.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 질산으로 표면을 활성화시킨 다중벽탄소나노튜브(Multiwall carbon nano tube: MWCNT)인 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지용 산화전극.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복합체에서 팽창 흑연과 탄소나노튜브의 혼합비는 1:0.5 ~ 1:2.0 인 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지용 산화전극.
  10. 삭제
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 음이온 계면활성제의 농도는 5 mmol ~ 10 mmol 인 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지용 산화전극.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 팽창 흑연과 탄소나노튜브 복합체는 결합제로 Nafion 을 사용하여 복합되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지용 산화전극.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 결합제는 Nafion과 Epoxy를 50:50 ~ 75:25의 비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지용 산화전극.
  14. 제 7항의 산화전극과, 환원전극 및 분리막을 포함하는
    생물전기화학전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 환원전극은 일면에 복합금속촉매층이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
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