KR101719100B1 - 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법 - Google Patents

바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 소정 서열의 펩타이드가 발현되도록 설계된 M13 바이러스(M13-Y3E), 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T) 및 환원된 산화그래핀(rGO)을 혼합하여 바이오-템플릿 복합체를 만들어 전극(ITO) 표면에 코팅한 후 여기에 금속을 전착(Electrodeposition)시켜 Au-Pt 합금 나노 구조를 형성함으로써, 주입된 M13 바이러스가 금속 나노 구조를 위한 핵형성 및 성장을 효과적으로 유도하게 하고, 저밀도 패킹을 가능케 하며, rGO를 안정화시키고, 전기화학적 활성 표면적(ECSA)을 크게 증대시켜, 연료 전지의 메탄올 산화 반응(MOR) 등에 대해 매우 우수한 촉매 활성을 구현할 수 있는, 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 Pt-기반 바이-메탈 나노 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조방법은 방법 자체가 편리할 뿐만 아니라, 비슷한 효과를 낼 수 있는 합성(인조) 펩타이드를 사용하는 경우 대비 비용 측면에서도 매우 효율적이다.

Description

바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법{PREPARATION METHOD OF NANO ELECTRODE USING VIRUS-INFUSED BIO-TEMPLATE}
본 발명은 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 소정 서열의 펩타이드가 발현되도록 설계된 M13 바이러스(M13-Y3E), 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T) 및 환원된 산화그래핀(rGO)을 혼합하여 바이오-템플릿 복합체를 만들어 전극(ITO) 표면에 코팅한 후 여기에 금속을 전착(Electrodeposition)시켜 Au-Pt 합금 나노 구조를 형성함으로써, 주입된 M13 바이러스가 금속 나노 구조를 위한 핵형성 및 성장을 효과적으로 유도하게 하고, 저밀도 패킹을 가능케 하며, rGO를 안정화시키고, 전기화학적 활성 표면적(ECSA)을 크게 증대시켜, 연료 전지의 메탄올 산화 반응(MOR) 등에 대해 매우 우수한 촉매 활성을 구현할 수 있는, 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 Pt-기반 바이-메탈 나노 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조방법은 방법 자체가 편리할 뿐만 아니라, 비슷한 효과를 낼 수 있는 합성(인조) 펩타이드를 사용하는 경우 대비 비용 측면에서도 매우 효율적이다.
직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 그 빠른 기동성, 컴팩트성, 경량성, 높은 출력밀도 및 간단한 구조로 인해 클린 및 휴대용 전자 기기와 연료 전지 차량을 위한 전력 공급원으로서 매우 큰 관심을 끌고 있다. 예를 들어 알칼리 매질에서 작동하는 DMFC는 향상된 반응속도 및 부식이 적은 환경과 같은 눈에 띄는 특징을 지니며, 낮은 포텐셜에서 작동이 가능한 장점이 있다.
그러나, DMFC를 상용화하려면 백금(Pt) 금속 촉매의 높은 비용 문제 및 짧은 지속성과 멤브레인을 통한 메탄올의 크로스오버라는 이슈들을 해결해야만 한다. 또한 Pt 기반 촉매의 사용 중, 표면 피독(Poisoning), 입자 숙성(Ostwald) 및 분해에 의해 활성 사이트의 수가 감소하면 반응속도가 느려지고 내구성이 열악해지는 문제가 발생한다.
Pt-로딩을 줄이고 효율을 증가시키기 위해, 금(Au), 루테늄(Ru) 및 팔라듐(Pd) 등과 같은 2차 금속의 도입이 검토된 바 있다. 구체적으로 Pt-기반의 바이-메탈(합금 및 코어-쉘) 촉매는 순수 Pt 촉매의 로딩 최소화를 위한 대안을 제시하는 알칼리 매질 DMFC용으로 적합한 매우 매력적인 촉매 소재가 될 수 있다.
이와 관련하여, Au-Pt 합금 나노 구조를 이용해 이들 금속 간의 상승적 효과를 도모하기 위한 상당한 노력들이 있었으며, 높은 분산성 및 부식 안정성으로 귀금속을 수용할 수 있는 적절한 지지체 재료를 개발하려는 연구도 진행되고 있다. 이러한 조합은 개선된 활성 표면적, 촉매 활성 및 내구성을 구현할 수 있을 것이다.
즉, 적절한 고체 지지체에서 저밀도 패킹의 Au-Pt 합금 나노 구조를 합성해내는 것이 절실히 요구되는 상황이며, 이것이 가능하다면 DMFC의 성능 및 내구성 모두를 보장할 수 있을 것이다.
2D 구조의 그래핀계 물질인 환원된 산화그래핀(rGO)은 그 특유의 전기·전자적 및 화학적 특성으로 인해 연료 전지용 금속 나노 구조를 로딩하기 위한 전도유망한 지지체 소재가 될 수 있다.
그러나, 금속을 고분산/저밀도 패킹으로 로딩하는 것과 전기화학적 활성 표면적(ECSA)을 조절하는 것은 여전히 해결해야 할 당면 과제로 남아 있다. 또한 복합체 제작 도중 개별 rGO 시트 간의 응집을 방지하는 것이 필수적으로 요구된다.
최근, 기능성 나노 구조의 바이오-템플릿 합성은 그 특유의 단분산, 다가(Multivalent) 특성, 조정가능한 구조적 특징 및 우수한 생체적합성으로 인해 차세대 소재를 위한 새로운 나노스케일 플랫폼으로서 큰 주목을 받고 있다. 이러한 바이오-시스템의 고유 분자 인식 능력은 이들을 적절한 게스트와 결합하는 호스트로 작용할 수 있게 한다.
바이러스, DNA, 단백질 및 미생물과 같은 다양한 바이오재료 중 바이러스는 그 특유의 구조, 높은 안정성, 제어가능한 기능성 및 저-비용 생산성으로 인해 템플릿 합성에 있어 장점을 지니고 있다.
M13 바이러스(M13)는 길이 880 nm, 지름 6.6 nm의 사상 바이러스로서, 주요 피복 단백질 P8의 2700개 동일 카피로 둘러싸인 단일-가닥 DNA로 구성되어 있으며, 말단은 4개의 서로 다른 소수 피복 단백질(P9, P7, P6 및 P3)의 5개 카피로 덮여있다. M13은 광범위한 pH, 온도 및 유기용매에 있어 안정성을 나타낸다. 또한 M13은 인간과 동물에 무해하고 양성(Benign)인 것으로 여겨져 다양한 바이오의학 분야에 적용되고 있다.
또한, M13은 특정 바이러스 유전자에 추가적인 DNA 서열을 삽입하여 유전자 변형하면 선택된 귀금속 전구체에 특이적인 친화도를 나타내어 결합, 조직화되고, 바이오-템플릿 금속 나노 구조로 성장가능한 핵을 형성할 수 있을 것이다.
이에, M13 바이러스가 주입된 바이오-템플릿을 이용한 촉매(예컨대, DMFC용 촉매)로서, 저밀도 패킹이 가능하고, 우수한 촉매 활성과 더불어 내구성, 고분산성 및 지지체의 안정성 등을 동시에 확보할 수 있는 새로운 Pt-기반 바이-메탈 촉매와 이러한 촉매를 저-비용으로 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 방법에 대한 개발이 요구되는 실정이다.
Gnanaprakasam, P.; Jeena, S. E.; Selvaraju, T. Hierarchical Electroless Pt Deposition at Au Decorated Reduced Graphene Oxide via a Galvanic Exchanged Process: An Electrocatalytic Nanocomposite with Enhanced Mass Activity for Methanol and Ethanol Oxidation. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 18010-18018.
본 발명은 상기와 같은 종래의 요구를 충족시키기 위한 것으로, 바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극 내지 Au-Pt 합금 나노 구조 촉매의 제조방법을 새롭게 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
구체적으로, 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과 금속 나노 구조의 핵을 이루는 바이오-템플릿으로서 바이러스가 주입된 졸-겔 매트릭스를 최초 제작하는데 성공하였다.
본 발명은 매우 편리한 방법으로 나노 구조의 크기 및 전극 표면 상에서의 기능을 최적화할 수 있으며, 특히 이처럼 주입된 바이러스 및 바이오-템플릿은 rGO와 Au-Pt 합금 나노 구조 사이의 전자적 효과를 방해하지 않을 뿐만 아니라 rGO의 콜로이드 안정성도 향상시킬 수 있었다.
또한, 본 발명자들은 고밀도로 패킹된 T/rGO/Au-Pt 촉매와 바이러스 주입에 의해 저밀도로 패킹된 T/rGO/Au-Pt 촉매가 서로 상반된 메탄올 산화 반응(MOR) 응답을 나타냄을 실험을 통해 확인하였고, 바이러스의 주요 피복 단백질 상의 펩타이드 서열을 조절함으로써 Au-Pt 합금 나노 구조의 핵형성 및 성장이 MOR의 촉매 성능에 실제로 영향을 미침을 실증하였다.
또한, 바이러스 표면에 발현된 펩타이드를 이용한 바이오-템플릿은 금속 나노 구조의 핵형성과 관련된 계면활성제로 작용하며, 이러한 바이오-템플릿의 제작은 비슷한 효과를 낼 수 있는 합성(인조) 펩타이드를 사용하여 제작한 경우 대비 비용 측면에서 매우 효율적이었다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은
a) 티로신/글루탐산/글루탐산/글루탐산으로 이루어진 서열(YEEE)의 펩타이드가 표면에 발현되도록 설계된 M13 바이러스(M13-Y3E)를 준비하는 단계;
b) 상기 M13 바이러스(M13-Y3E), 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T), 및 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO)을 혼합하여 바이오-템플릿 복합체(Bio-template composite)를 합성하는 단계;
c) 상기 바이오-템플릿 복합체를 전극 표면에 코팅하는 단계; 및
d) 상기 바이오-템플릿 복합체가 코팅된 전극 상에 금속을 전착(Electrodeposition)시켜 금-백금(Au-Pt) 합금 나노 구조를 형성하는 단계;를 포함하는,
바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 소정 서열의 펩타이드가 표출되도록 설계된 M13 바이러스(M13-Y3E)를 주입한 새로운 바이오-템플릿에 관한 것으로, 이러한 바이오-템플릿은 환원된 산화그래핀(rGO)과 컴포짓을 형성하여 스캐폴드로 작용함으로써 금속 전착시 Au-Pt 합금 나노 구조를 성장시키기 위한 핵형성에 관여하게 된다.
즉, 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T)/M13/rGO 복합체에서 설계된 M13 바이러스인 M13-Y3E의 주요 피복 단백질은 Au-Pt 합금 나노 구조의 성장에 특이적인 핵을 이룰 수 있고, 저밀도 패킹을 가능하게 하며, 동시에 rGO를 안정화시키고, 전기화학적 활성 표면적을 크게 증가시킨다.
구체적으로, 본 발명자들은 알칼리(성) 매질에서 본 발명에 따른 T/M13/rGO/Au-Pt 촉매의 메탄올 산화에 대한 전기화학적 촉매 활성을 조사하였고, 그 결과 야생형 M13(M13-W)를 적용한 경우, 모노-메탈 Pt를 적용한 경우, 기타 다른 조성 및 지지체를 지닌 Au-Pt 나노 구조를 적용한 경우 대비 상대적으로 질량 활성(Mass activity)이 크게 증가함을 확인하였다.
본 발명에 따른 바이오-템플릿에서, M13은 Au-Pt 합금 나노 구조 및 rGO가 서로 긴밀하게 접촉하도록 하며, 촉매에 대해 OH-가 풍부한 환경을 촉진한다. 그 결과, 효율적인 전자 전달이 일어나고 메탄올 산화에 대해 상승적인 촉매 효과를 구현할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 바이오-템플릿 Au-Pt 합금 나노 구조는 전기화학적 촉매 활성이 매우 우수하며, 예를 들어 알칼리 매질의 MOR에 대해 매우 높은 전기화학적 활성 표면적(ECSA)(153.23 m2/g Pt), 질량 활성(1.5428 A/mg Pt) 및 안정성을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따르면 고분산/저밀도 패킹이 가능해지고, rGO가 안정화되어 상호 응집되는 현상이 방지된다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 촉매는 촉매 성능과 더불어 내구성이 우수하고, CO 피독(Poisoning)이 최소화되어 흡착된 중간체를 CO2로 원활하게 산화시킬 수 있다.
나아가, 본 발명은 제조방법이 간편하고, 고가의 합성(인조) 펩타이드를 사용하는 경우 대비 제조비용을 크게 절감할 수 장점이 있다.
즉, 본 발명은 나노컴포짓 소재 합성을 위한 금속 핵형성(Metal nucleation)에 있어서 바이러스-주입 템플릿의 중요성을 제시한 것으로, 본 발명에 따른 바이오-템플릿 합성방법은 새로운 클린 & 녹색 에너지 발생 소재 및 저장 소재의 개발에 크게 기여할 수 있을 것이다.
도 1은 ITO 전극에서 T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 촉매를 제작하는 과정 및 M13-Y3E의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2의 (A 내지 C1)은 각각 서로 다른 배율에서의 (A, A1) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Au, (B, B1) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 (C, C1) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 SEM 이미지; (D)는 ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 EDAX 분석결과;이다.
도 3은 각각 (A) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt), (B) = ITO/T/M13-W/rGO/(Au-Pt) 및 (C) = ITO/T/M13-4E/rGO/(Au-Pt) 전극의 SEM 이미지이다.
도 4는 각각 (a) = ITO/T/M13-Y3E/rGO, (b) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Au, (c) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 (d) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 XRD 패턴이다.
도 5의 (A, C)는 각각 (a) = ITO/(Au-Pt), (b) = ITO/T/(Au-Pt), (c) = ITO/T/M13-Y3E/(Au-Pt), (d) = ITO/T/rGO/(Au-Pt) 및 (e) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 CVs; (B, D)는 각각 (a) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Au, (b) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 (c) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 CVs를 비교한 것(* A, B: 0.5 M H2SO4, 스캔 속도 50 mV/s. * C, D: 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH, 스캔 속도 50 mV/s); (E)는 각각 (a) = CH3OH 부존재 및 (b) = 0.1 M CH3OH 존재시 ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극을 비교한 것(* 0.1 M KOH 매질, 스캔 속도 50 mV/s); (F)는 각각 C(a-e) 및 (f) ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 전극에서 측정된 전류계(Amperometric) i-t 곡선(* 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH, -0.3 V 포텐셜 적용);이다.
도 6은 각각 (a) = ITO/T/M13-W/rGO/(Au-Pt), (b) = ITO/T/M13-4E/rGO/(Au-Pt) 및 (c) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극에서 확보한 CVs(* A: 0.5 M H2SO4. B: 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH, 스캔 속도 50 mV/s)이다.
도 7은 (A) ECSAs; (B) Pt 그램 당 ECSAs; (C) 모노- 및 바이-메탈 촉매의 질량 활성;을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (A, B)는 각각 (A) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 (B) = ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 CVs(* 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH, 스캔 속도 30, 50, 80, 120, 160, 200, 250 및 300 mV/s); (C)(a, b)는 log j vs. log (ν)의 상관 관계; (D)(a, b)는 피크 포텐셜 Ep vs. log (ν)의 상관 관계;를 나타낸 그래프이다.
도 9는 ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극에서의 MOR을 대표적으로 보여주는 개략도이다.
도 10은 (A) ITO//M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극에서 확보한 CVs(* 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH, 스캔 속도 50 mV/s, 1-100 사이클; (B) 이에 상응하는 검정선(Calibration plot);이다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
실시예: 개질된 전극의 제조
(1) 재료 및 조건
그래파이트(분말 < 20 μm), 염화금산 3수화물(HAuCl4·3H2O), 염화백금산 6수화물(H2PtCl6·6H2O), 아스코르브산(AA) 및 N1-(3-트리메톡시실릴프로필)디에틸렌트리아민(실리케이트 졸-겔 매트릭스 T 제조에 사용되는 실란 모노머)을 Sigma-Aldrich로부터 입수하였다.
메탄올(MeOH)을 DaeJung chemicals로부터 입수하였다.
ITO(크기 2×1 cm) 및 그 개질된 형태를 작업전극으로 사용하고, Pt 와이어를 상대전극으로, Ag/AgCl(3 M NaCl 용액)을 기준전극으로 사용하였다.
모든 전기화학적 실험은 Ivium Technologies 전기화학 워크스테이션을 이용하여 단일구획 3전극 셀에서 수행하였다.
각 실험에 앞서 질소 가스(N2)를 30분 동안 버블링시켰다.
(2a) 야생형 M13 바이러스(M13-W) 증폭 및 정제
"Smith, G. P.; Petrenko, V. A. Phage Display. Chem. Rev. 1997 , 97, 391-410." 등에 기술된 표준 생화학 프로토콜에 따라 M13-W를 성장 및 정제하였다.
즉, E. coli XL-1 블루의 단일 콜로니를 3 mL LB 배지에서 mid-log phase까지 성장시키고(E. coli XL-1 blue culture), 10 μL M13-W로 감염시켰다.
배양물을 37℃에서 12시간 동안 진탕배양한 후, 원심분리하여 E. coli를 제거하였다.
PEG/NaCl(20% PEG 및 2.5 mol/L NaCl) 침전에 의해 M13-W를 수집하고, TBS(Tris-bufferred saline, 10 mM)에서 원상태로 만들었다.
전형적으로 리터 당 20 mg M13-W가 얻어졌다.
최종 농도는 269 nm에서 흡광계수 3.84 cm2/mg을 사용하여 분광광도계로 측정하였다.
(2b) YEEE(M13-Y3E) 및 4E(M13-4E) 파지 설계(유전자 조작), 증폭 및 정제
M13의 주요 피복 단백질(유전자 8)에 Au 결합 펩타이드를 부착시켰다.
즉, Y3E 및 4E를 유전자 8 단백질 내로 삽입하기 위해 3가지 프라이머를 설계하였다:
5'-ATATATCTGCAGNKTAYGAAGAGGAANNKGATCCCGCAAAAGCGGCCTTTAACTCCC-3' (Y3E),
5'-ATATATCTGCAGNKGAAGAGGAAGAGCCCGCAAAAGCGGCCTTTAACTCCC-3' (4E), 및
5'-GGAAGCTGCAGCGAAAGACAGCATCGGAACGAGG-3' (선형화 프라이머).
M13-Y3E 및 M13-4E 파지를 설계하기 위해, 상기 프라이머(선형화 프라이머와 M13-Y3E 및 M13-4E 프라이머)를 이용하여 인버스 PCR(Inverse polymerase chain reaction) 클로닝 방법을 수행하였다.
PCR 산물을 정제한 후, 증폭된 플라스미드 및 파지 플라크를 DNA 시퀀싱을 통해 확인하였다.
또한, 실험을 위해 증폭된 M13-Y3E 및 M13-4E 파지를 사용하였고, 그 방법은 전술한 (2a)와 동일하게 하였다.
(3) T/M13/rGO 복합체의 합성
격렬한 교반 조건 하에서 1 M T 실란 모노머 5 μL를 수용액 10 mL에 첨가하여 균일한 0.5 mM T 용액을 제조하고, 60분 동안 계속 교반하였다.
수정된 Hummers법에 따라 그래파이트로부터 산화그래핀(GO)을 제조하였다. 예를 들어 rGO는 GO에 N2H4, NaOH 또는 NaBH4 환원제를 가한 뒤, 60 ~ 100℃로 2 ~ 6시간 동안 가열하여 환원시킴으로써 합성할 수 있다.
rGO의 상세한 합성 절차는 "Lu, D.; Lin, S.; Wang, L.; Shi, X.; Wang, C.; Zhang, Y. Synthesis of Cyclodextrin-Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanosheets for Sensitivity Enhanced Electrochemical Determination of Diethylstilbestrol. Electrochim. Acta 2012 , 85, 131-138"에서 확인할 수 있다.
즉, GO(2 mg/mL) 20 mL를 2시간 동안 초음파 처리하여 황갈색 분산액을 얻은 후, 반응 혼합물에 AA 80 mg을 첨가한 다음, 혼합물을 실온에서 48시간 동안 교반하였다. 얻어진 검정색 분산액을 원심분리하고, 물로 5회 세척한 후, 오븐에서 건조시켰다.
T/rGO 복합체를 제조하기 위해, 1시간 동안 격렬히 교반하면서 rGO(0.1 mg/mL) 앨리쿼트(Aliquots)를 T 용액에 첨가한 후, 얻어진 균일한 용액을 사용시까지 냉장고에 보관하였다.
T/M13/rGO 복합체를 제조하기 위해, 1시간 동안 교반하면서 M13-W, M13-Y3E 및 M13-4E(각 0.1 mg/mL) 앨리쿼트를 T/rGO 용액에 첨가한 후, 얻어진 균일한 용액을 사용시까지 냉장고에 보관하였다.
(4) 개질된 전극의 제작
소정량(50 μL)의 T, T/rGO 또는 T/M13/rGO를 세척된 ITO 전극 표면 위에 드롭 캐스팅하고, 37℃ 인큐베이터에서 2시간 동안 건조시켰다.
건조된 전극을 전해액(* Au-Pt, Pt, Au 나노 구조 전착을 위해, 각각 0.5 M H2SO4 내의 1.5 mM H2PtCl6 + HAuCl4, 3 mM H2PtCl6, 3 mM HAuCl4)에 10분 동안 침지하고, -0.2 V(Ag/AgCl)의 포텐셜을 500초 동안 인가하여 Au-Pt, Pt 또는 Au 나노 구조를 전착시켰다.
제작된 전극을 각각 ITO/T/(Au-Pt), ITO/T/rGO/(Au-Pt) 또는 ITO/T/M13/rGO/(Au-Pt)로 명명하였다.
전착 과정 중 전류를 모니터하고, 전하량을 사용하여 하기에 따라 Pt의 비질량(Specific mass)(M)을 평가하였다. EDAX 분석으로부터, Au 및 Pt의 % 조성을 유도하고, 전체 전하량으로부터 Pt에 대한 동일 %의 전하량을 이용하여 하기 식 1에 따라 Pt의 질량을 계산하였다:
M = Q × MW / (n FA) (1)
(상기 식에서, M = 전착 후 비질량, Q = 전착에 소요된 전하량, MW = Pt의 분자량, n = 전착을 위해 전달된 전자의 수, F = 패러데이 상수, A = 전극("O" 링) 의 기하학적 면적(0.44 cm2).
Pt의 질량은 ECSA를 계산하고 전류밀도 플롯을 위한 정규화 전류를 확보하는데 사용되었다.
(5) 전기화학적 연구
개질된 전극의 ECSA는 비-패러데이 전류를 제거한 후 수소 흡착 곡선의 Q를 적분(MATLAB 커브 피팅 툴)하여 계산하였다(* 조건: 0.5 M H2SO4 용액(질소로 포화), 스캔 속도 50 mV/s, -0.4 ~ 1.2 V).
개질된 전극의 MOR에 대한 전기화학적 촉매 성능은 순환 전압전류(CV)를 기록하여 연구하였다(* 조건: 0.1 M KOH + 0.1 M CH3OH 용액, 스캔 속도 50 mV/s, -1 ~ 0.6 V).
촉매의 안정성은 연속 사이클링 테스트(Continuous cycling test) 및 전류계 i-t 곡선 기법을 통해 평가하였다(* 포텐셜 -0.3 V, 1500초).
촉매의 전기화학적 내구성(ECSA 값과 관련)은 포텐셜 CV 사이클 기록을 통해 측정하였다.
실험예: 개질된 전극의 특성 평가
(1) 개질된 전극의 표면 특성화
나노 구조 사이의 응집을 방지하기 위해 적절한 지지체에의 고정이 필수적이며, 이는 활성 표면적 및 촉매 효율 증가 등 화학적 특성과도 직결된다.
따라서, 본 발명자들은 Au-Pt 나노 구조를 전착시킬 바이오-템플릿으로서 T/M13/rGO 복합체를 선택하였다.
이러한 바이오-템플릿에서, T는 고체 지지체로 작용하고 M13 및 rGO 모두를 고정화하는 매트릭스 지지체를 제공하여 복합체의 안정성을 증가시킬 수 있다.
rGO로부터 제조된 복합체는 심각하게 응집되어 열악한 수 분산성(Water dispersity)을 나타내는 것이 보통이다. 반면 설계된 M13 및 rGO 간의 비-공유 결합과 함께 T로 기능화된 경우, 이러한 문제를 효과적으로 극복할 수 있고, T/M13/rGO 복합체에 있어 rGO가 높은 수 분산성을 띄게 된다.
도 1에서 보듯이, T/M13/rGO 복합체로 개질된 전극에 전착된 Au-Pt 나노 구조는 M13 구성요소 중 Au 결합 펩타이드 서열로 사전-기능화된 부분이 특정 핵형성 사이트를 제공하고 rGO 및 Au-Pt 간의 상호작용을 향상시키게 된다.
전계방출 주사전자 현미경(SEM)을 이용하여 각각 다르게 개질된 전극의 모폴로지를 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 ITO/T/M13-Y3E/rGO 전극에 전착된 Au(도 2(A, A1)), Pt(도 2(B, B1)) 및 Au-Pt(도 2(C, C1)) 나노 구조를 나타낸다.
Au 및 Pt 나노 구조와 비교할 때, Au-Pt 나노 구조에서만 구형의 잘 분리된 나노 구조가 얻어졌다. 랜덤하게 성장된 덴드라이트 Au 나노 구조의 불규칙한 모양은 M13-Y3E의 Au 결합 펩타이드가 이러한 핵형성 및 성장을 유도하였음을 의미한다.
반면, ITO/T/M13-Y3E/rGO/Pt 전극에서는 전형적인 Pt 나노 구조, 즉 상호-연결된 다공성 베이스와 구형의 상부 형태를 나타내었다(도 2 B1).
또한, ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 에너지 분산형 X-선 분석(EDAX)(도 2D)은 원소 매핑(Elemental mapping)을 요약하여 보여주고 있는바, Au 및 Pt 영역이 명확하게 구별되지 않았고, 이는 Au 및 Pt로 구성된 나노 구조 및 이들이 합금 상태에 있다는 점을 확인시켜 주는 것이다.
또한, 핵형성 및 성장에 대한 T/M13-Y3E/rGO 복합체의 각 구성요소의 역할을 분석하기 위해, Au-Pt 나노 구조를 서로 다른 지지체에 전착시키고 ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극과 비교하였다.
흥미롭게도, ITO/T/rGO 전극에서는 매우 고밀도로 Au-Pt 합금 나노 구조가 성장되었는바, 이는 그 기능성 그룹(-OH 및 COO-)에 따른 rGO의 핵형성 능력에 기인한 것이다.
이러한 점은 SEM 및 EDAX 분석에 의해서도 뒷받침되었는바, Au-Pt 합금 나노 구조의 2개 영역이 명확하게 관찰되었고, rGO가 있는 경우 rGO가 없을 때와 비교할 때 하부의 성장이 고밀도로 이루어졌다.
또한, 3가지의 서로 다른 조성으로 ITO/T/M13-Y3E/rGO 전극에 Au-Pt 합금 나노 구조를 전착시키고, SEM 및 EDAX 분석을 수행하였다. 비교를 위해, Au-Pt 나노 구조를 T/M13-W/rGO 복합체 및 T/M13-4E/rGO 복합체로 개질된 전극에 각각 전착시키고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
M13-Y3E와 비교할 때, M13-W 및 M13-4E는 더욱 고밀도로 패킹되도록 Au-Pt 나노 구조의 성장을 유도하였는바, 이는 T/M13/rGO 바이오-템플릿에 있어 M13-Y3E의 Au-Pt 나노 구조 저밀도 패킹 능력이 뛰어남을 의미한다(도 3).
이러한 경향은 M13-Y3E의 주요 피복 단백질에 도입된 티로신 부분이 나노 구조의 핵형성 및 성장에 적극적으로 기여함을 명확하게 보여준다.
일반적으로 중합 카테콜 화합물(티로신 부분)은 부착체(Adherent)처럼 작용하고, 무기 재료에 대해 친화도를 지닌다(MOR에 대한 역할은 후술함).
개질된 전극에 대한 XRD 패턴을 도 4에 나타내었다.
모든 전극에 있어 30.46, 35.3, 50.9 및 60.4°(JCPDS card number 39-1058)에서 피크가 관찰되었는데 이는 ITO 전극으로부터 발생한 것이므로, 이러한 피크들은 분석에 있어 무시하였다. 또한 이들 전극은 rGO의 존재로 인해 21.2°에서 피크를 나타내었다.
T/M13-Y3E/rGO/Au의 경우(도 4(b)), 38.1, 44.34, 64.62 및 77.6°에서 피크가 관찰되었는바, 이는 각각 격자면 (111), (200), (220) 및 (311)의 fcc 구조를 지닌 Au의 존재에 기인한 것이다(JCPDS card number 65-2870). 한편 39.94, 46.55 및 67.92°(JCPDS card number 04-0802)에서 관찰된 피크는 각각 Pt의 fcc 결정 구조의 (111), (200) 및 (220) 결정 평면에 기인한 것이다(도 4(c)).
T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극의 XRD 패턴은 38.6, 45.3, 65.9 및 78.9°에서 피크를 나타내었는바, 이는 Au-Pt 나노 구조의 (111), (200), (220) 및 (311)에 상응하는 것이다.
Au(도 4(b)) 및 Pt(도 4(c)) 패턴을 Au-Pt 패턴(도 4(d))과 비교한 결과, Au의 (111), (200), (220) 및 (311) 평면에서 피크가 각각 38.1 → 38.6°, 44.34 → 45.3°, 64.62 → 65.9° 및 77.6 → 78.9°로 이동하였음을 알 수 있다. 이는 Au-Pt 나노 구조는 Pt의 상호-확산에 기인한 것으로, 이로 인해 Au 단위 셀의 크기가 바뀌어 Au-Pt 합금 나노 구조를 형성하기 때문이다.
또한, ITO/T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 전극에 대해 XPS 분석을 실시하였다.
서베이 스펙트럼은 개질된 전극에 Pt, Au, Si, C, N 및 O가 존재함을 밝혀준다.
즉, C 1s 스펙트럼은 3개의 요소 피팅되는바, 이는 결합된 탄소 원자인 C-Si(283.49 eV), C-H(284.90 eV), C-N(285.5 eV), C-O(286.48 eV) 및 rGO의 평면내 sp2 탄소(C=C (284.3 eV))에 상응하는 것이다.
또한, N 1s 스펙트럼은 398.3 eV에서 1개의 요소로 피팅되는바, 이는 T 및 M13-Y3E(Au 결합 펩타이드)의 NH2 그룹의 존재를 나타낸다.
Pt 및 Au의 XPS 더블릿 피크 결과, 69.09 eV(Pt 4f7/2), 72.42 eV(Pt 4f5/2), 82.27 eV(Au 4f7/2) 및 85.89 eV(Au 4f5/2)에서 0가의 Pt 및 Au 상태를 나타내었는바, Pt 및 Au 모두 전구체로부터 ITO/T/M13-Y3E/rGO 전극에 Au-Pt 나노 구조로 성공적으로 전착되었음을 확인시켜 주었다.
Pt 및 Au의 표준 데이터(70.80 및 74.15 eV for Pt 4f7/2 및 Pt 4f5/2; 83.80 및 87.45 eV for Au 4f7/2 및 Au 4f5/2)와 비교했을 때, 두 가지 원소 모두에서 결합 에너지가 음의 방향으로 변화한 점에 주목할 필요가 있으며, 이는 Pt 및 Au 간에 전자 전달이 일어나 상 분리 없이 서로 원자적 수준으로 혼화되었음을 의미한다.
(2) 전기화학적 촉매 연구
MOR을 T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 촉매의 전기화학적 촉매 활성을 확인하기 위한 모델 시스템으로 사용하여, M13-W 및 M13-4E, 모노-메탈, 다른 지지체 및 조성을 사용한 경우와 비교하고, 그 결과를 도 5 내지 8에 요약하였다.
본 발명에 따른 촉매의 전기화학적 촉매 능력을 분석하기 위해, ECSA(m2/g Pt) 및 비질량(mg Pt/cm2)의 두 가지 파라미터를 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
ECSA 값은 0.5 M H2SO4에서 CVs(도 5(A, B) 및 6A)를 수행하여 하기 식 2를 통해 계산하였다:
ECSA = QH / QH* (2)
(상기 식에서, QH = 더블-레이어 보정 후 수소 흡착 영역으로부터 MATLAB 소프트웨어의 곡선 피팅 툴을 이용해 수집한 전하량, QH* = 다결정 Pt 표면에서 수소 단분자층의 흡착과 관련된 표준 값 210 μC cm-2).
질량 활성을 얻기 위해, 서로 다른 지지체 및 전구체 농도를 사용한 경우 전체 바이-메탈 Au-Pt 합금 나노 구조에서 Pt의 % 조성을 SEM-EDAX 분석으로부터 유도하고, 그 결과를 각 촉매의 첨자로 표시하였다(표 1).
T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매(각 1.5 mM 전구체 농도)의 경우 ECSA 값이 153.23 m2/g Pt로서, 다른 촉매 대비 현저하게 높은 수치를 나타내었다(표 1).
[표 1] 다양한 개질 전극으로부터 확보한 MOR의 전기화학적 파라미터
Figure 112016054905914-pat00001
한편, T/M13-Y3E/rGO/Pt 촉매의 ECSA는 2.14 cm2으로서 그 기하학적 면적(0.44 cm2)보다 4.86배 높았는바, 이는 구형의 상부 구조를 지닌 상호-연결된 다공성 베이스에 기인한 것이다(도 2 B1).
도 5(A, B)는 특징적인 Au 및 Pt 산화환원 거동을 보여주며, 특히 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매(도 5B(c))는 -0.2 및 0 V 사이에서 특징적인 수소 흡착(포워드 스캔) 및 탈착(리버스 스캔) 피크를 나타내었다.
또한, Au-Pt 합금 나노 구조는 포워드 스캔에서 단일의 산화 피크(1.19 V)를 나타내었고, 리버스 스캔에서 Au 및 Pt 환원 피크는 각각 0.63 및 0.22 V에서 관찰되었다.
모노-메탈 Pt(0.48 V; 도 5B(a))와 비교했을 때, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매에서 Pt에 대해 약 0.26 V 음의 변화가 발생하였는바, 이는 Au와의 원자 레벨 융합에 기인한 것이다.
개질된 전극의 MOR에 대한 전기화학적 촉매 활성을 0.1 M CH3OH + 0.1 M KOH에서 CV로 평가하였다.
도 5C 및 D는 각 1.5 mM 전구체 농도로 5개의 서로 다른 지지체(순수 ITO (a), ITO/T (b), ITO/T/M13-Y3E (c), ITO/T/rGO (d) 및 ITO/T/M13-Y3E/rGO (e))에 전착된 Au-Pt 합금 나노 구조와 모노- 및 바이-메탈 나노 구조를 MOR에 대해 각각 비교하여 도시한 것이다.
도 5E는 CH3OH 부존재 (a) 및 0.1 M CH3OH 존재시 (b) T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매를 비교한 것이다.
평형을 위해, 모든 MOR 실험에 있어 처음 20 사이클을 배제하였다.
도 5C 및 표 1에서 보듯이, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 질량 활성(Pt 질량에 대해 정규화된 전류)은 더욱 높았고(1.5428 A/mg pt), 양극 피크 포텐셜은 음의 방향으로 약 0.38 V 이동하였는바, 이는 T/M13-Y3E/rGO 지지체가 다른 지지체보다 MOR용으로 더욱 적합함을 의미한다.
또한, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 질량 활성 및 ECSA(1.5428 A/mg pt 및 153.23 m2/g Pt)를 모노-메탈 T/M13-Y3E/rGO/Au(반응 없음 및 1.88 m2/g Au) 및 T/M13-Y3E/rGO/Pt(0.406 A/mg pt 및 21.30 m2 /g Pt) 촉매와 비교하였다.
T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 질량 활성은 T/M13-Y3E/rGO/Pt 촉매보다 약 3.8배 더욱 높았는바, 이는 이러한 촉매가 MOR의 촉진 및 상승적인 전기화학적 촉매 효과를 구현하는데 매우 중요함을 의미한다(도 5D).
또한, T 및 rGO의 존재(도 5C(b,d))는 질량 활성을 현저하게 향상시켰는바(표 1), 이는 이들이 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매 성능에 상당한 기여를 함을 의미한다.
한편, 순수 ITO, ITO/T, ITO/T/M13-Y3E 및 ITO/T/rGO 전극에서는 MOR에 대해 주목할만한 촉매 활성이 관찰되지 않았다.
모노- 및 바이-메탈 Pt 기반 촉매의 MOR에 대한 안정성을 평가하기 위해, 0.1 M CH3OH 및 0.1 M KOH의 혼합물에서 -0.3 V로 500초 동안 전류-시간 응답을 모니터하고, 그 결과를 도 5F에 나타내었는바, CV 데이터와 결과가 일치하였다.
예상대로, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매(도 5F(e))의 경우 다른 촉매 대비 초기 전류가 더욱 높았으며 전류가 천천히 감소하였다.
또한, T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt) 촉매에서 Pt 질량 %의 영향을 규명하기 위해, Au 전구체 농도(1.5 mM)를 일정하게 유지한 채 Pt 전구체 농도를 1.0, 1.5 및 2.0 mM로 다르게 하여 3가지의 서로 다른 조성을 준비하고, EDAX 분석으로부터 % 조성을 구하였다. 이때 제작된 전극들을 각각 T/M13-Y3E/rGO/(Au64-Pt36), /(Au58.9-Pt41.1) 및 /(Au57.3-Pt42.3)로 명명하였다.
이들 전극의 MOR에 대한 활성을 조사한 결과, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매가 온셋 포텐셜 및 피크 전류에 관하여 상대적으로 높은 촉매 활성을 나타내었다.
즉, Au-Pt 합금 나노 구조에서 Pt의 질량 역시 촉매 활성을 결정하는데 중요한 역할을 함을 알 수 있다.
포워드 피크 전류(If) 및 백워드 피크 전류(Ib) 간의 비율을 통해 촉매 표면에서의 중간 흡착(Intermediate adsorption)으로부터 유발된 피독 효과를 측정할 수 있다. 즉 If/Ib 비율은 중간 흡착의 속도에 반비례하며, 높은 값을 가질수록 MOR에 있어 더욱 유리하다. 개질된 전극들의 If/Ib 비율 값을 표 1에 나타내었다.
T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매에서 MOR의 반응속도를 조사하기 위해, 포워드 CV 스캔으로부터 확보한 다양한 스캔 속도(ν)에서의 양극 피크 전류(jp) 및 피크 포텐셜(Ep)의 관계를 연구하여 도 8에 나타내었다.
T/M13-Y3E/rGO/Pt (a) 및 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) (b) 촉매는 log jp 및 log (ν) 간에 선형 관계를 나타내었고, 기울기는 각각 약 0.203 및 0.162였다(도 8C). 기울기는 0 및 0.5 사이에 위치하였는바, 이는 두 가지 촉매에 있어 MOR이 확산 제어 프로세스임을 의미한다. 또한 Ep 및 log (ν) 간의 선형 관계(도 8D)는 MOR이 비가역적 전하 전달 프로세스임을 의미한다.
따라서, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 개선된 전기화학적 응답은 다음과 같은 측면에서 이해될 수 있다:
(i) 구조적 관점에서, 이러한 합금 나노 구조는 다른 지지체와 비교했을 때 서로 충분히 공간적 분리되어 있어 ECSA를 증가시킨다.
(ii) 알칼리 매질에서의 MOR 도중 CH3COads 중간체 종이 Au-Pt 합금 나노 구조 상에 형성될 수 있고, OHads와의 반응이 속도-결정 단계이다. 본 발명에서 관찰된 촉매 성능 향상은 양 금속의 일함수를 변경할 수 있는 두 가지 금속 간의 전자적 효과에 기인한 것일 수 있으며, MeOH와의 강한 결합을 통한 개선된 촉매 활성으로 인해 MeOH의 산화가 촉진된다. 또한 Au 원자는 촉매독 종을 CO2로 촉매 산화시켜 MOR 도중 피독된(CH3COads) 근방의 Pt 표면을 주기적으로 갱신한다.
(iii) 바이오-템플릿에서, M13-Y3E는 Au-Pt 합금 나노 구조 및 rGO가 긴밀하게 접촉하도록 한다. 또한 rGO의 기능성 그룹, 설계된 M13-Y3E의 단백질 피복(유전자 8) 및 T의 다공성이 OHads를 효과적으로 끌어당길 수 있어 OHads 풍부 환경을 촉진하고, 그 결과 CH3COads 및 OHads 간에 효과적인 반응이 일어나 높은 전기화학적 촉매 활성을 나타낸다.
(iv) Au 및 Pt 간의 상승적, 상조적 효과 또한 촉매 활성의 증대 요인이 될 수 있다.
이러한 모든 요소들은 본 발명의 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매가 MOR에 대해 개선된 촉매 성능을 부여할 수 있는 유리한 구조적 측면을 지님을 확인시켜 준다.
M13-W, M13-4E 및 M13-Y3E를 사용하여 제조된 3개의 서로 다른 바이오-템플릿을 비교한 결과, M13-Y3E를 적용한 바이오-템플릿(T/M13-Y3E/rGO/(Au-Pt))에서 MOR에 대한 개선된 응답이 뚜렷이 관찰되었다(도 6).
따라서, M13-Y3E의 Au 결합 펩타이드는 핵형성, 성장 및 촉매 활성에 기여함이 분명하다(도 3).
또한, M13-Y3E 표면에 설계된 티로신(Y) 부분(카테콜 화합물)은 알칼리 매질에서 자가-중합되어, 얇은 표면-부착 폴리-티로신 필름을 형성할 수 있다. 이러한 필름은 기질 및 분석 물질과 공유적 및 비-공유 상호작용을 하는 경향이 있다. 폴리-티로신 코팅은 또한 2차 표면-매개 반응을 위한 다목적의 플랫폼으로 기능할 수 있다.
따라서, T/M13-Y3E/rGO 바이오-템플릿은 저밀도로 패킹된 Au-Pt 합금 나노 구조를 수용하는 이상적인 플랫폼이 되며, 그 결과 MeOH의 CO2로의 산화와 관련된 효율적인 전자 전달을 촉진한다(도 9).
한편, 안정성 관찰을 위해, MOR용 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매를 대상으로 100회의 연속 사이클을 수행하였다(도 10).
100 사이클 후, 피크 전류는 단지 10.15 % 감소하였는바, 이는 본 발명의 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매가 MOR에 대해 우수한 민감도 및 개선된 안정성을 나타냄을 의미한다.
촉매의 내구성은 DMFC의 상용화에 있어 매우 중요한 전제사항 중 하나이다. 따라서 가속 내구성 테스트(ADT)를 통해 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 내구성을 추가적으로 평가하였다(* 조건: 0.6 및 1.1 V 사이의 선형 포텐셜 스윕, 100 mV/s, 0.5 M H2SO4 전해질, 실온, 1250 ADT 사이클, 인터벌 = 250 사이클). 비교를 위해 T/M13-Y3E/rGO/Pt 및 T/M13-W/rGO/(Au57.7-Pt42.3) 촉매에 대해서도 동일한 조건으로 실험을 하였다.
250 사이클 후, 모든 촉매에 있어 수소 흡착/탈착 포텐셜 영역(-0.2 ~ 0 V)에서의 전류밀도는 CV 사이클 증가에 따라 급격하게 떨어졌다.
250, 500, 750, 1000 및 1250 ADT 사이클 후, T/M13-Y3E/rGO/Pt, T/M13-W/rGO/(Au57.7-Pt42.3) 및 T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 ECSA 감소는 각각 5.64, 10.76 및 12.69%, 58.14, 53.4 및 85.24%, 62.6, 55.86 및 81.33%, 65.27, 60.02 및 78.51%, 67.53, 61.02 및 76.37%였다.
750 사이클 이후 감소 속도는 크게 변하지 않았다. 그러나 1250 ADT 사이클 이후 3가지 촉매 모두 ECSA 손실은 약 68% 근처였다.
흥미롭게도, T/M13-Y3E/rGO/(Au58.9-Pt41.1) 촉매의 경우 500 사이클 이후 ECSA가 약간씩 개선되었는바, 이는 사이클링 테스트 동안 Pt 표면의 재생이 발생하였음을 의미한다.
알칼리 매질에서의 MOR에 대한 본 발명 촉매의 성능을 기 보고된 다른 바이-메탈 촉매들과 비교하여 표 2에 나타내었다.
[표 2] 다양한 지지체를 사용한 바이-메탈 촉매의 알칼리 매질 MOR에 대한 성능 비교
Figure 112016054905914-pat00002
본 발명의 방법은 매우 간단하고, 실시하기 쉬우며, 매우 편리하게 나노 구조를 제작할 수 있다. 그럼에 불구하고 기존의 복잡한 방식을 통해 제작된 것과 동등 내지 우수한 성능을 나타낸다.
한편, 바이러스 표면에 발현된 펩타이드를 계면활성제로 사용하여 금속 나노 구조를 제작하는 본 발명의 방법은 M13이 저-비용 대량 생산을 가능케 하는 박테리오파지 종류이므로 제조비용 측면에서 매우 효율적이다. 반면 본 발명과 유사한 효과를 낼 수 있도록 이에 상응하는 합성(인조) 펩타이드를 사용하는 것은 제조비용이 너무 고가라 실용성이 크게 떨어진다.
결과 검토
본 발명자들은 설계 M13(Engineered M13)가 주입된 실리케이트 졸-겔 매트릭스에 기반한 바이오-템플릿을 최초로 합성하고, 이를 이용하여 MOR용의 매우 효율적인 Au-Pt 합금 나노 구조를 제조하였다.
본 발명에 따라 제작된 바이오-템플릿은 MOR용 촉매를 비롯하여, 증대된 전기화학적 촉매 활성을 갖도록 촉매를 성장시키는 다양한 분야에 매우 중요하게 활용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따라 M13-Y3E가 적용된 바이오-템플릿에서 바이-메탈 Au-Pt 합금 나노 구조는 모노-메탈, M13-W 또는 M13-4E가 적용된 템플릿 대비 매우 높은 전기화학적 촉매 활성을 나타내었다.
또한, 본 발명의 바이오-템플릿은 Au-Pt 합금 나노 구조에서 OH- 풍부 환경을 조성하여 CO 독 작용을 최소화하고, 흡착된 중간체의 CO2로의 산화를 증가시켰다.
요컨대, 본 발명은 나노컴포짓 소재 합성을 위한 금속 핵형성에 있어 바이러스가 주입된 템플릿의 중요성을 구체적으로 입증한 것으로, 본 발명의 방법은 유사한 효과를 낼 수 있도록 고안된 임의의 합성(인조) 펩타이드를 사용하는 경우보다 제조비용을 크게 절감할 수 있고, 방법 자체가 간단하여 다른 금속 및 매트릭스에도 확장 적용될 수 있을 것이며, 이처럼 제작된 템플릿은 배터리, 수퍼커패시터 및 연료 전지를 비롯한 에너지 분야 및 센서 분야에 있어 매우 유용한 스캐폴드로 사용될 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. a) 티로신/글루탐산/글루탐산/글루탐산으로 이루어진 서열(YEEE)의 펩타이드가 표면에 발현되도록 설계된 M13 바이러스(M13-Y3E)를 준비하는 단계;
    b) 상기 M13 바이러스(M13-Y3E), 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T), 및 환원된 산화그래핀(rGO)을 혼합하여 바이오-템플릿 복합체를 합성하는 단계;
    c) 상기 바이오-템플릿 복합체를 전극 표면에 코팅하는 단계; 및
    d) 상기 바이오-템플릿 복합체가 코팅된 전극 상에 금속을 전착(Electrodeposition)시켜 금-백금(Au-Pt) 합금 나노 구조를 형성하는 단계;를 포함하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 M13 바이러스(M13-Y3E)는 M13 바이러스의 주요 피복 단백질(Major coat protein)인 P8 단백질의 표면에 상기 펩타이드가 부착되도록 설계된 것임을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 a) 단계는 인버스 PCR(Inverse polymerase chain reaction) 클로닝 방법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    하기 서열번호 1로 표시되는 프라이머, 및 하기 서열번호 2로 표시되는 선형화 프라이머(Linearization primer)를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법:
    [서열번호 1]
    5'-ATATATCTGCAGNKTAYGAAGAGGAANNKGATCCCGCAAAAGCGGCCTTTAACTCCC-3'
    [서열번호 2]
    5'-GGAAGCTGCAGCGAAAGACAGCATCGGAACGAGG-3'.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T)는 N1-(3-트리메톡시실릴프로필)디에틸렌트리아민을 실란 모노머로 하여 제조된 것임을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 바이오-템플릿 복합체는 아민으로 기능화된 실리케이트 졸-겔 매트릭스(T) 용액, 환원된 산화그래핀(rGO) 분산액 및 아스코르브산(AA)을 혼합한 후, M13 바이러스(M13-Y3E)를 첨가 및 교반하여 합성되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 전극은 ITO(Indium tin oxide) 전극인 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 코팅은 드롭 캐스팅(Drop casting)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계의 전착(Electrodeposition)은 염화금산(HAuCl4), 염화백금산(H2PtCl6) 및 황산(H2SO4)을 함유하는 전해액에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계의 금-백금(Au-Pt) 합금은 금(Au) 58.9 질량% 및 백금(Pt) 41.1 질량%로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제조방법에 따라 전극 상에 형성된 T/M13-Y3E/rGO/Au-Pt 구조의 물질은 메탄올 산화 반응(MOR)에 대한 촉매로 사용되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 메탄올 산화 반응(MOR)은 알칼리 매질에서 수행되는 것임을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제조된 나노 전극은 연료 전지, 배터리, 수퍼커패시터 또는 센서에 사용되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제조된 나노 전극은 직접 메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell; DMFC)에 사용되는 것을 특징으로 하는,
    바이러스가 포함된 템플릿을 이용한 나노 전극의 제조방법.

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