KR101831946B1 - Method for Regenerati ing Cofactor Using Silicon Based Photoelectrode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극 및 실리콘 나노와이어(H-SiNW) 광음극을 함유하는 실리콘 기반 광전기화학 전지 및 이를 이용한 보조인자의 재생방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 실리콘 기반 광전기화학전지는 지속가능한 에너지원과 자연계에 풍부하게 존재하는 물질을 이용해서 고부가가치의 정말화합물을 합성할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있다. The present invention relates to a silicon-based photoelectrochemical cell containing a 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode and a silicon nanowire (H-SiNW) photocathode and a method for regenerating cofactors using the same. Based photovoltaic cells can be used as a platform to synthesize high value added compounds by using materials that are abundant in nature and sustainable energy sources.

Description

실리콘 기반의 광전극을 이용한 보조인자 재생방법{Method for Regenerati ing Cofactor Using Silicon Based Photoelectrode}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of regenerating coercive force using a silicon-

본 발명은 실리콘 기반 광전극을 함유하는 광전기화학 전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극 및 실리콘 나노와이어(H-SiNW) 광음극을 함유하는 실리콘 기반 광전기화학 전지 및 이를 이용한 보조인자의 재생방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photoelectrochemical cell containing a silicon-based photoelectrode and, more particularly, to a silicon-based photoelectrochemical cell containing a 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode and a silicon nanowire (H- And a method for regenerating cofactors using the same.

식물의 자연 광합성 반응에서 물은 전자 공여체의 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, photosystem II 와 I 사이를 광유도 전자의 이동에 의하여 태양에너지가 화학에너지로 전환된다. 이러한 자연계의 광합성을 모방하여, 균일한 시스템 내에서 생촉매의 산화환원반응과 물의 산화반응 연구에 많은 노력을 기울이고 있다.Water is known to act as an electron donor in the natural photosynthesis reaction of plants, and solar energy is converted into chemical energy by the movement of mineral oil electrons between photosystem II and I. Much effort has been devoted to study the redox reaction of biocatalysts and the oxidation reaction of water in a homogeneous system mimicking such natural photosynthesis.

산화환원 효소는 화학반응작용기, 거울상이성질체 및 반응위치에 대해 높은 선택성을 갖기 때문에 광학적으로도 순도가 높은 합성물을 생산해낼 수 있다. 이러한 반응의 다양성 및 선택성으로 인해 산화환원 효소는 정밀 화학제품 합성으로 대표되는 산업적으로 유용한 여러 종류의 화학반응들을 수행할 수 있다. 그러나 지금까지 산화환원 효소공정들은 생체촉매반응에서 보조인자로 사용되고 있는 NADH(nicotinamide adenine dinucleotide)의 높은 가격에 따른 상용화 문제로 인하여 그 사용이 제한되어 왔다.Redox enzymes can produce optically highly pure compounds because they have a high selectivity for chemical reaction functions, enantiomers and reaction sites. Due to the diversity and selectivity of these reactions, the redox enzyme can perform several types of industrially useful chemical reactions typified by fine chemical synthesis. However, the use of NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), which is used as a cofactor in biocatalysis, has been limited due to commercialization due to high price.

보조인자는 산화환원 반응에서 생촉매의 환원반응과 동등한 역할을 하기 때문에, 효율적인 보조인자의 공급은 고부가가치 정밀화학제품의 효소적 산업 분야의 주요 장벽으로 알려져 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화형 보조인자 재생을 통한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. Since auxiliary agents play an equivalent role in the reduction of biocatalysts in redox reactions, efficient supply of cofactors is known as a major barrier in the enzymatic industry of high value-added fine chemicals. In order to solve these problems, research and development have been actively carried out through regeneration of oxidative cofactors.

이에 전기화학적 재생(electrochemical regeneration)은 기존의 제2효소/기질 재생방법을 대체할 수 있는 하나의 매력적인 방법으로 여겨져 왔다 (Biocatal. Biotransform., 22:63, 2004). 하지만 전기화학적 재생방법에서도 NAD(P)+의 NAD(P)H로의 환원이 열역학적으로 선호되는 전압조건에서도 전극과 NAD(P)+ 사이의 느린 전자전달 속도로 인하여 재생 효율이 떨어지는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 균등질의 전자 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 NAD(P)+ 사이에 전자를 전달하는 방법을 개발된 바 있다(Chem., 53:1979, 1981; Chim.Acta, 284:385, 1993; Chim. Acta, 360:171, 1998). 그러나 산화형 보조인자의 재생이 전극 표면 바로 주변에서만 일어나기 때문에 전체적인 반응기내 합성의 수율이 매우 낮고, 전극에 과전압을 줄 경우 의도하지 않게 효소반응에서 활성을 띄지 않는 보조인자 이성질체들이 양산되어, 전극 표면상의 불필요한 막의 형성 등에 따른 반응효율 감소 등의 문제점이 있었다.Electrochemical regeneration has thus been considered as an attractive alternative to the existing second enzyme / substrate regeneration method (Biocatal. Biotransform., 22:63, 2004). However, in the electrochemical regeneration method, the reduction of NAD (P) + to NAD (P) H was also disadvantageous in that the regeneration efficiency was lowered due to the slow electron transfer rate between the electrode and NAD (P) + even under the thermodynamically favorable voltage condition. To solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and NAD (P) + by using an even mediator has been developed (Chem., 53: 1979, 1981; Chim.Acta, 284: 385 , 1993, Chim. Acta, 360: 171, 1998). However, since the recovery of the oxidative cofactor occurs only in the immediate vicinity of the electrode surface, the yield of synthesis in the overall reactor is very low, and when the overvoltage is applied to the electrode, cofactor isomers which are unintentionally inactivated in the enzymatic reaction are mass- There is a problem that the reaction efficiency is reduced due to the formation of an unnecessary film on the surface.

이에 반해 최근 각광받고 있는 보조인자의 광화학적인 재생방법은 자연계의 광합성을 모사하여 외부 전력의 공급 없이 무한한 태양에너지를 이용하여 저가이면서 환경 친화적인 광화학적 보조인자의 재생을 가능하게 한다(Chem. Res. 42, 1890-1898, 2009; Chem. Res. 34,40-48, 2001). On the other hand, the photochemical regeneration method of co-factor, which has recently been spotlighted, simulates the photosynthesis of the natural system and enables the reproduction of low cost and environmentally friendly photochemical co-factors using infinite solar energy without supplying external power (Chem. Res 42, 1890-1898, 2009; Chem. Res., 34, 40-48, 2001).

인공광합성으로 대표되는 이산화탄소 고정화 반응은 자연계에서 태양광을 에너지원으로 사용하여 물과 이산화탄소로부터 고 에너지 유기물을 합성하는 광합성 반응에 기초를 두고 있는 연구로, 최근 에너지 위기를 해결할 수 있는 친환경적인 미래기술로써 새로운 주목을 받고 있다. 성공적인 인공광합성 기술의 개발을 위해서는 자연계에서 cascade 방식으로 복잡한 과정을 거쳐 일어나는 광 여기 전자 전달 과정을 효율적으로 디자인하는 것이 매우 중요하다. The CO2 immobilization reaction represented by artificial photosynthesis is a research based on photosynthetic reactions in which high energy organic matter is synthesized from water and carbon dioxide by using sunlight as an energy source in the natural world. Recently, an environmentally friendly future technology Which is attracting new attention. In order to develop successful artificial photosynthesis technology, it is very important to efficiently design the photoexcitation electron transfer process that takes place through a complex process in the cascade system in the natural world.

이에, 본 발명자들은 태양/전기 에너지 변환계와 전기/화학 에너지 변환계가 분리되어 있는 광전기화학적 전지 기반의 인공광합성 시스템을 개발하는 경우, 후방전자이동(back electron transfer)와 같은 전자 전달 부반응이 최소화되고, 광감응 소재와 물 분해 촉매를 같이 고정화한 광전극을 사용하여 전자 전달 속도를 높여 에너지 전환 효율을 높일 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, when developing an artificial photosynthesis system based on a photoelectrochemical cell in which a solar / electric energy conversion system and an electric / chemical energy conversion system are separated, an electron transfer side reaction such as a back electron transfer is minimized , It has been confirmed that the photoelectric material and the water decomposition catalyst are immobilized in the same way as the photoelectrode, and the energy transfer efficiency can be increased by increasing the electron transfer rate.

본 발명의 목적은 태양/전기 에너지 변환계와 전기/화학 에너지 변환계가 분리되어 있는 광전기화학적 전지를 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide a photoelectrochemical cell in which a solar / electric energy conversion system and an electric / chemical energy conversion system are separated.

본 발명의 다른 목적은 상기 광전기화학적 전지를 이용한 보조인자의 재생방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for regenerating cofactors using the photoelectrochemical cell.

본 발명의 또다른 목적은 상기 광전기화학적 전지를 이용한 이산화탄소로부터 개미산을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing formic acid from carbon dioxide using the photoelectrochemical cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극; 및 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 포함하고, 상기 광양극과 광음극은 서로 분리된 전해질 용액에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광전기화학 전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a 3-jn-Si photocathode in which a catalyst layer is coated on npp + 3-silicon (3-jn-Si) And a photo negative electrode composed of a silicon nanostructure surface-modified with hydrogen ions, wherein the photo-positive electrode and the photo negative electrode are immersed in an electrolyte solution separated from each other.

본 발명은 또한, 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 산화형 보조인자 및 전자 전달매개체가 포함되어 있는 용액에 침지시키고, npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 재생방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a photovoltaic cell comprising the steps of immersing a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with hydrogen ions in a solution containing an oxidative co-factor and an electron transfer mediator, Wherein the coated 3-jn-Si photocathode is immersed in a solution containing water, which is an electron donor, and then irradiated with light.

본 발명은 또한, (a)수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 산화형 보조인자 및 전자 전달매개체가 포함되어 있는 용액에 침지시키고, npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 광을 조사하여 보조인자를 재생시키는 단계; 및 (b) 상기 재생된 보조인자를 기질의 산화화원효소 반응에 사용하여 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 인공광합성 방법을 제공한다.(A) a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with a hydrogen ion is immersed in a solution containing an oxidative co-factor and an electron transfer mediator, and a npp + 3-silicon (3-jn-Si ), A step of immersing a 3-jn-Si photocathode having a catalyst layer coated thereon in a solution containing water as an electron donor, and irradiating light to regenerate the co-factor; And (b) preparing a useful substance by using the regenerated cofactor in an oxidative source enzyme reaction of a substrate.

본 발명은 또한, 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 NAD+ 및 전자 전달매개체, 포메이트 디하이드로게나아제(Formate dehydrogenase)를 포함하고, 이산화탄소가 지속적으로 공급되는 용액에 침지시키고, npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극 을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 상기 광음극과 광양극이 침지된 용액은 염다리를 통하여 연결하고, 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 개미산의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with a hydrogen ion is immersed in a solution containing NAD + and an electron transfer mediator, formate dehydrogenase, in which carbon dioxide is continuously supplied , a 3-jn-Si photocathode in which a catalyst layer is coated on npp + 3-type silicon (3-jn-Si) is immersed in a solution containing water as an electron donor, and the solution, in which the photocathode and the photocathode are immersed, And then connecting the mixture through a brassiere and irradiating light.

본 발명에 의한 실리콘 기반 광전기화학전지는 지속가능한 에너지원과 자연계에 풍부하게 존재하는 물질을 이용해서 고부가가치의 정말화합물을 합성할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있다. The silicon-based photoelectrochemical cell according to the present invention can be utilized as a platform for synthesizing high-value added compounds by using a substance that is abundant in a natural energy source and a sustainable energy source.

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 기반 전지에 의한 광 유도 생촉매 반응에 의한 이산화탄소 고정화 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 서로 다른 전착 시간에서의 광조사 시의 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극에 대하 볼타모그림(voltammogram)을 나타낸 것이다.
도 3의 (A)는 H-SiNW 광음극의 SEM 이미지를 나타낸 것이고, (B)는 암조건 및 명조건에서 M과 NAD+ 유무에 다른 H-SiNW의 볼타모그램을 나타낸 것이며, (C)는 CoPi를 3-jn-Si/ITO에 0.9V에서 30분간 전착하여 제조한 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극의 SEM 이미지를 나타낸 것이고, (D)는 광조사 조건에서 광양극의 CoPi 촉매 유무에 따른 볼타모그램을 나타낸 것으로 스캔율은 50mV/s이다.
도 4의 A는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극과 H-SiNW 광음극으로 구성된 실리콘 기반 PEC 전지 시스템의 구조를 나타낸 것이고, B는 각기 다른 전압을 인가하였을 때 실리콘 기반 PEC 전지의 광전류를 측정한 결과를 나타낸 것이며, C는 각기 다른 전압을 인가하였을 때, 3시간 동안 재생되는 NADH 수율을 나타낸 것이고, D는 분리된 PEC 전지와 원팟 PEC 전지에서 명조건과 암조건에서 6V를 인가하였을 때, NADH 수율을 나타낸 것이다.
도 5는 PEC 전지의 반응혼합물의 각 성분의 순차적 첨가에 따른 5시간 동안의 개미산 전환수율과 패러데이 효율을 비교한 것이다. 우측 칼러은 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극을 대신하여 Pt 전극을 사용하였을 때의 결과를 나타낸 것이다.
도 6의 A는 Solar-tracking 모듈의 모식도이고, B는 태양의 움직임에 따라 Solar-tracker가 움직이는 모습늘 나타낸 것이며, C는 날씨에 따른 광전류량을 나타낸 것이고, D는 날씨에 따른 CO2로 부터 개미산의 전환율을 나타낸 것이다.
FIG. 1 is a schematic view illustrating a process of immobilizing carbon dioxide by a photo-induced biocatalytic reaction by a silicon-based cell according to the present invention.
Fig. 2 shows a voltammogram of 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode during light irradiation at different electrodeposition times.
FIG. 3 (A) shows an SEM image of the H-SiNW photocathode, (B) shows the voltammogram of H-SiNW with and without M and NAD + under dark conditions and (C) Si / ITO / CoPi photocathode produced by electrodeposition of CoPi on 3-jn-Si / ITO at 0.9 V for 30 minutes, and (D) shows the SEM image of the 3-jn- The scan rate is 50mV / s.
4A shows the structure of a silicon-based PEC battery system composed of a 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode and an H-SiNW photocathode, and B shows the photocurrent of a silicon-based PEC cell when different voltages are applied C shows the yield of NADH regenerated for 3 hours when different voltages were applied, and D was 6V for the separated PEC and Watt PEC cells under light and dark conditions. , The yield of NADH.
Figure 5 compares the yield of conversion of formic acid over 5 hours and the Faraday efficiency with sequential addition of each component of the reaction mixture in a PEC cell. The right-hand color shows the result when Pt electrode was used instead of 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode.
FIG. 6A is a schematic diagram of a solar-tracking module, B is a view of the solar-tracker moving according to the movement of the sun, C is a photocurrent amount according to the weather, D is CO 2 Conversion of formic acid.

기존 인공광합성 기술을 기반으로한 광화학적 또는 광전기화학적 이산화탄소 고정화 반응 중, 반도체를 이용한 광전기화학적 이산화탄소 고정화 기술은 물을 전자와 수소 이온의 공급원으로 사용할 수 있지만, 이산화탄소 전환반응에 대한 ㅅ서선택성이 떨어진다는 문제점이 있어 전극에서 일어나는 부 반응으로 인해 이산화탄소로부터 두 가지 이상의 물질이 생성이 되며, 이를 분리하는 공정을 추가로 필요로 한다는 문제가 있었다. 더불어 기존의 연구에서는 광전극 물질로 InP, GaP, GaAs, CdTe와 같은 고가의 반도체의 사용에 집중됨으로써 산업화로의 적용에 한계가 있다는 단점이 있었다. Among photochemical or photo-electrochemical carbon dioxide immobilization reactions based on existing artificial photosynthetic techniques, the photo-electrochemical carbon dioxide immobilization technique using semiconductors can use water as a source of electrons and hydrogen ions, but the selectivity for the carbon dioxide conversion reaction is inferior There is a problem that two or more substances are generated from carbon dioxide due to adverse reactions occurring in the electrodes, and there is a problem that a process of separating them is further required. In addition, conventional researches have focused on the use of high-priced semiconductors such as InP, GaP, GaAs, and CdTe as photoelectrode materials, which limits the application to industrialization.

반면, 산화환원효소를 이용한 이산화탄소 전환 반응은 이산화탄소를 특정한 물질로 전환할 수 있는 선택성이 높다는 장점은 있으나 고가의 보조인자인 조효소를 사용해야 한다는 문제와 함께 물 분해 반응을 전자 공급원으로 이용하는 것이 어려웠다. On the other hand, carbon dioxide conversion using oxidoreductase has the advantage of high selectivity to convert carbon dioxide into a specific substance, but it is difficult to use a water degradation reaction as an electron source as well as a problem of using a coenzyme which is an expensive auxiliary agent.

본 발명자들의 선행연구를 통해 광화학적 방법을 통해서 산화된 보조인자를 다시 환원시킴으로써 소량의 보조인자를 효율적으로 이용할 수 있는 산화환원효소 반응 시스템이 구축되어 이를 이산화탄소 전환 반응에 경제적으로 적용할 수 있는 기반이 마련되었다. The present inventors' previous studies have shown that a redox enzyme reaction system capable of efficiently utilizing a small amount of cofactors can be constructed by reducing the oxidized cofactors through a photochemical method and thus can be economically applied to the carbon dioxide conversion reaction .

이를 통해 본 발명에서는 반도체를 이용한 반응과 산화효소 반응을 이용한 이산화탄소 고정화 시스템의 장점을 결합하여 광전극을 통해 물에서 공급되는 전자와 수소이온을 이용해 소량의 조효소인 nicotinanmide cofactor (NADH)를 지속적으로 재생시키고 이를 Thiobacillus sp. 유래의 formate dehydrogenase (TsFDH) 산화환원효소 반응과 연결시킴으로써 특정하게 개미산(formate)만을 형성할 수 있는 인공광합성 기반 광전기화학적 이산화탄소 고정화 시스템을 구축하였다(도 1).Therefore, the present invention combines the advantages of a semiconductor-based reaction and a CO 2 immobilization system using an oxidizing enzyme reaction to continuously regenerate a small amount of a coenzyme, nicotinanimide cofactor (NADH) using electrons and hydrogen ions supplied from water through a photo- Thiobacillus sp. (TSFDH) redox enzyme reaction, thereby constructing an artificial photosynthetic-based photoelectrochemical carbon dioxide immobilization system capable of forming only a specific formate (Fig. 1).

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 본 발명은 (a) npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극; 및 (b) 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 포함하고, 상기 광양극과 광음극은 서로 분리된 전해질 용액에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광전기화학 전지에 관한 것이다.Accordingly, in one aspect, the present invention provides a method for producing a 3-jn-Si photocathode having (a) a catalyst layer coated on npp + three kinds of silicon (3-jn-Si); And (b) a photonic cathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with hydrogen ions, wherein the photon-emitting electrode and the photocathode are immersed in a separate electrolyte solution .

본 발명에 있어서, 상기 서로 분리된 전해질 용액은 염다리를 통하여 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the electrolyte solutions separated from each other may be connected through a brassiere.

본 발명에서, 상기 촉매층은 인산코발트(CoPi)인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si)은 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the catalyst layer may be cobalt phosphate (CoPi), and the npp + 3-type silicon (3-jn-Si) may be coated with indium tin oxide (ITO).

바람직하게는 본 발명의 상기 광양극은 npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅된 3-jn-Si/ITO 상에 인산코발트(CoPi)가 코팅되어 있는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 광음극은 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극인 것을 특징으로 할 수 있다. Preferably, the photocathode of the present invention is formed of 3-jn-Si / ITO coated with cobalt phosphate (CoPi) on indium tin oxide (ITO) coated on npp + 3 type silicon (3-jn-Si) -Jn-Si / ITO / CoPi photocathode, and the photocathode is a photocathode composed of a silicon nanowire (H-SiNW) surface-modified with hydrogen ions.

본 발명에 따른 실리콘 기반 전지에 의한 광 유도 생촉매 반응에 의한 이산화탄소 고정화 과정을 도 1에 나타내었다. 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극에서 물의 산화에 의하여 발생된 전자가 H-SiNW 광음극으로 전달된다. 전자는 가시광 조사에 의하여 여기되고, M(로듐 기반 전자전달 매개체)를 경유하여 NAD+로 전달되고, 환원된 NAD+(즉, NADH)는 두개의 전자와 한개의 양자를 FDH 촉매반응을 통하여 이산화탄소가 개미산으로 전환되는 반응에 전달하게 된다. FIG. 1 shows a process of immobilizing carbon dioxide by a photo-induced biocatalytic reaction with a silicon-based cell according to the present invention. 3-jn-Si / ITO / CoPi Electrons generated by the oxidation of water at the Kwangyang electrode are transferred to the H-SiNW photocathode. The electrons are excited by visible light irradiation, transferred to NAD + via M (rhodium-based electron transfer mediator), and the reduced NAD + (ie NADH) forms two electrons and one electron through FDH catalysis to form carbon dioxide To the reaction that converts it to.

실리콘은 장기적인 경제성 측면과 함께 가시광선을 포함하여 넓은 스펙트럼의 태양광을 흡수할 수 있다는 점에서 효율적인 인공광합성 시스템 개발을 위한 이상적인 에너지 하베스팅 물질이다. 본 발명에서는 모두 실리콘 기반의 재료로 구성된 광전극을 사용한 이산화탄소 고정화를 시스템을 설계하였다.Silicon is an ideal energy-harvesting material for developing efficient artificial photosynthesis systems in that it can absorb a broad spectrum of sunlight, including visible light, along with long-term economic viability. In the present invention, a carbon dioxide immobilization system using a photo-electrode composed of a silicon-based material is designed.

본 발명에서, 광양극 물질로는 npp+ 삼종접합 실리콘을 (3-jn-Si)위에 ITO와 물 분해 촉매를 코팅한 재료 (3-jn-Si/ITO/CoPi)를 사용함으로써 단일 또는 이종접합 실리콘에 비해 빛에 의해 여기된 정공을 빠르게 물 분해 조촉매로 전달하여 물 분해 효율을 높일 수 있도록 하였다. npp+ 삼종접합 실리콘 위에는 잘 알려진 효율적인 물 분해 조촉매인 cobalt phosphate (CoPi)를 코팅함으로써 물로부터 최대한 많은 전자가 공급될 수 있도록 하였다. In the present invention, np + triplet junction silicon is used as a light-emitting electrode material by using a material (3-jn-Si / ITO / CoPi) in which ITO and a water decomposition catalyst are coated on (3-jn- The holes excited by light are rapidly transferred to the water decomposition promoter as compared with silicon so as to enhance the water decomposition efficiency. On top of the npp + triplet junction silicon, cobalt phosphate (CoPi), a well known and efficient water decomposition promoter, was coated to maximize the supply of electrons from water.

본 발명에서 사용하는 광음극 물질로는 광화학적 NADH 재생의 효과가 입증된 수소 원자가 처리된 실리콘 나노와이어 (H-SiNW)를 선택하였다. H-SiNW는 양자 구속 효과에 의해 벌크 실리콘보다 태양에너지 전환효율을 높다고 알려져 있으며, 광촉매 시스템에서 Rh-기반 유기금속 전자매개체{M; [Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+, Cp*=C5Me5, bpy=2,2'-bipyridine}로의 수소화물을 전달하는데 효과적이다. As a photocathode material used in the present invention, a silicon nanowire (H-SiNW) having hydrogen atoms treated with photochemical NADH regeneration has been selected. H-SiNW is known to have higher solar energy conversion efficiency than bulk silicon due to its quantum confinement effect. In photocatalytic systems, Rh-based organometallic electron mediators { M; [Cp * Rh (bpy) ( H 2 O)] 2+, Cp * = C 5 Me 5, is effective to deliver a hydride to bpy = 2,2'-bipyridine}.

M(즉, Mox)는 H-SiNW로부터 2개의 전자를 받고, 용액에서 양자를 받아 Mred로 환원되고, NAD+에 수소화물을 제공하면서 이전의 산화상태로 돌아가게 된다. M (ie, Mox) receives two electrons from H-SiNW, accepts both in solution and is reduced to M red , and returns to the previous oxidation state while providing hydride to NAD +.

또한 H-SiNW는 평면 실리콘에 비해 촉매반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓으며, 나노와이어가 가지는 일차원적인 구조는 태양광에 의해 형성된 전자와 정공이 효과적으로 분리될 수 있도록 함으로써 이산화탄소 전환반응의 효율을 높일 수 있을 것이다.  In addition, H-SiNW has a large surface area where catalytic reaction can occur compared to planar silicon. One-dimensional structure of nanowire enables effective separation of electrons and holes formed by sunlight to increase efficiency of carbon dioxide conversion reaction It will be possible.

다른 관점에서, 본 발명은 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 산화형 보조인자 및 전자 전달매개체가 포함되어 있는 용액에 침지시키고, npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 재생방법에 관한 것이다.In another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising the steps of: immersing a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with hydrogen ions in a solution containing an oxidizing co-factor and an electron transfer agent; Characterized in that a 3-jn-Si photocathode having a catalyst layer coated thereon is immersed in a solution containing water as an electron donor and then irradiated with light.

본 발명에 있어서, 상기 산화형 보조인자는 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide), NADP+(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), 플라빈 보조인자인 FAD+(flavin adenine dinucleotide), FMN+(flavin monoucleotide), 세포 내 헤민 및 리포산로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있고, 본 발명에 있어서, 상기 전자전달 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the oxidizing auxiliary may be selected from the group consisting of NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide), NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), flavin adenine dinucleotide (FAD + ), FMN + (flavin monocleotide) And lipoic acid. In the present invention, the electron transport mediator may be selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium II complex and rhodium III complex.

본 발명에서, 상기 촉매층은 인산코발트(CoPi)인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si)은 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 광음극은 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the catalyst layer may be cobalt phosphate (CoPi), and the npp + 3-silicon-3-jn-Si may be coated with indium tin oxide (ITO) The photocathode may be a photocathode formed of silicon nanowires (H-SiNW) whose surface is modified with hydrogen ions.

상기 광음극과 광양극이 침지된 용액은 염다리를 통하여 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the solution in which the photocathode and the photocathode are immersed is connected through a brassiere.

본 발명의 일양태에서는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양전극과 H-SiNW 광음전극을 연결한 전지를 TsFDH 반응과 연결시킴으로써 3-jn-Si/ITO/CoPi에서의 물 분해에 의해 공급된 전자가 효과적으로 H-SiNW로 전달되고, 이 전자가 다시 NADH 재생을 통해 TsFDH로 전달됨으로써 CO2를 개미산(formante)으로 효과적으로 전달시킬 수 있다는 것을 확인하고자, 우선적으로, 본 발명의 실리콘기반의 광전극 전지와 결합한 TsFDH에 의한 CO2 고정화가 일어나기 위한 필수 조건인 NADH 재생이 효율적으로 일어나는 조건을 확인하였다. In one embodiment of the present invention, a cell connected between a 3-jn-Si / ITO / CoPi light-emitting electrode and an H-SiNW light-emitting electrode is connected to the TsFDH reaction, thereby being supplied by water decomposition at 3-jn-Si / ITO / CoPi In order to confirm that electrons are effectively transferred to H-SiNW and that the electrons are transferred to TsFDH through NADH regeneration, CO 2 can be effectively transferred to formate. First, in order to confirm that the silicon- The conditions under which NADH regeneration is efficiently performed, which is an essential condition for the immobilization of CO 2 by TsFDH combined with the cell, is confirmed.

그 결과, 광음극에서 NADH 재생을 위해 충분한 광전류가 흐를 수 있는 전압은 0.4 V 이상이 되어야 한다는 거을 확인하였다. 이에 따라 외부인간 전압 별로 NADH 재생효율을 측정한 결과, 0.7V 까지는 그 효율이 증가하였찌만, 0.8V의 인가전압 하에서는 오히려 재생효율이 떨어지는 것을 관찰하였는데, 이는 광음극으로 흐르는 광전류가 많아지면 H-SiNW에서 발생하는 부반응에 참여할 확률이 커지기 때문인 것으로 생각된다(도 4).As a result, it was confirmed that the voltage at which sufficient photocurrent can flow through the photocathode for NADH regeneration should be 0.4 V or more. As a result, the efficiency of NADH regeneration was measured by external human voltage. As a result, it was observed that the regeneration efficiency was lowered at an applied voltage of 0.8 V although the efficiency was increased up to 0.7 V. This is because if the photocurrent flowing to the photo- -SiNW (Fig. 4). ≪ tb > < TABLE >

상기 결과에 따라 광전극 전지 기반의 CO2 고정화를 위해 진행할 실험에서는 효율적인 재생효율과 더불어 최소의 외부 에너지 input을 고려하여 0.6V의 인가전압 하에서 실험을 진행하였다. 또한, 각각의 광전극이 서로 다른 반응 혼합물에 침지되어 있고, 광조사 조건에서만 NADH가 효율적으로 재생될 수 있다는 것을 확인하여, 광전극 전지는 상술한 바와 같이 물 분해에 의해 공급되는 전자를 후방전자이동을 최소화하면서 NADH 재생반응으로 전달해 주는 역할을 할 수 있다는 것을 확인하였다. Based on the above results, experiments were carried out under an applied voltage of 0.6 V in consideration of efficient external energy input and efficient regeneration efficiency in an experiment to be carried out for immobilization of CO 2 based on a photoelectrode cell. Further, it was confirmed that each of the photoelectrodes was immersed in a different reaction mixture, and that NADH could be efficiently regenerated only under the light irradiation condition. Thus, the photoelectrode cell is capable of regenerating electrons supplied by water decomposition, It is possible to transfer NADH to the regeneration reaction while minimizing migration.

광양극과 광음극이 함께 동일한 용액에 침지되어 있는 원팟(one-pot) 시스템에서는 물을 전자공여체로 사용하여 광촉매와 생촉매를 커플링한는 것이 매우 어려렵다. 따라서, 물 분해와 보조인자(NAD+ 등) 환원을 물리적으로 분리하는 PEC 플랫폼에 의하여 후방전자전달을 감소시킬 수 있다. 일예로, 분리된 PEC 전지 구조에서 NADH의 재생율은 23.1%이었으나, 원팟 시스템에서의 NADH 재생율은 2.2%에 불과하였다.In a one-pot system in which a photocathode and a photocathode are immersed in the same solution, it is very difficult to couple the photocatalyst and the biocatalyst using water as an electron donor. Thus, the rear electron transfer can be reduced by a PEC platform that physically separates water degradation and cofactor (NAD +, etc.) reduction. For example, in a separate PEC cell structure, the regeneration rate of NADH was 23.1%, but the recycling rate of NADH in the one-pot system was only 2.2%.

본 발명은 또다른 관점에서, (a)수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 산화형 보조인자 및 전자 전달매개체가 포함되어 있는 용액에 침지시키고, npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 광을 조사하여 보조인자를 재생시키는 단계; 및(A) immersing a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with a hydrogen ion in a solution containing an oxidizing cofactor and an electron transfer mediator to form an npp + triple silicon (3- jn-Si) coated with a catalyst layer is immersed in a solution containing water, which is an electron donor, and then light is irradiated to regenerate the co-factor; And

(b) 상기 재생된 보조인자를 기질의 산화화원효소 반응에 사용하여 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 인공광합성 방법에 관한 것이다.(b) preparing a useful substance by using the regenerated cofactor in an oxidative source enzyme reaction of a substrate.

본 발명에 있어서, 상기 재생된 보조인자에 의해 생성되는 유용물질은 글루타메이트(glutamate), 아스파테이트(aspartate), 젖산(lactate), 인공아미노산(unnatural aminoacid), 이부프로펜(Ibuprofen), 프라바스타틴(Pravastatin), 텍솔(Texol), 광학이성질체 및 인공아미노산을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the useful substance produced by the regenerated cofactor is selected from the group consisting of glutamate, aspartate, lactate, unnatural aminoacid, Ibuprofen, pravastatin, And is selected from the group comprising Texol, optical isomers and artificial amino acids.

또 다른 관점에서, 본 발명은 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노구조체로 구성된 광음극을 NAD+ 및 전자 전달매개체, 포메이트 디하이드로게나아제(Formate dehydrogenase)를 포함하고, 이산화탄소가 지속적으로 공급되는 용액에 침지시키고, pp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 촉매층이 코팅되어 있는 3-jn-Si 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 상기 광음극과 광양극이 침지된 용액은 염다리를 통하여 연결하고, 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 개미산의 제조방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a photoacid generator comprising a photocathode composed of a silicon nanostructure surface-modified with a hydrogen ion, wherein the photocathode comprises NAD + and an electron transfer mediator and a formate dehydrogenase, Immersing the 3-jn-Si photocathode in which a catalyst layer is coated on pp + 3-type silicon (3-jn-Si) in a solution containing water serving as an electron donor and then immersing the photocathode and the photocathode in a solution And the resulting solution is connected via a bridge and irradiated with light.

본 발명에서, 상기 촉매층은 인산코발트(CoPi)인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si)은 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 광음극은 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the catalyst layer may be cobalt phosphate (CoPi), and the npp + 3-silicon-3-jn-Si may be coated with indium tin oxide (ITO) The photocathode may be a photocathode formed of silicon nanowires (H-SiNW) whose surface is modified with hydrogen ions.

본 발명의 일양태에서는 개미산의 생촉매반응을 위하여 사용한 Formate dehydrogenase (FDH)는 formate oxidation과 이산화탄소 reduction을 동시에 활성화하는 산화환원효소이다. NADH-dependent FDH는 그 발현 종에 따라 상업적으로 손쉽게 이용 가능한 CbFDH를 비롯하여 CsFDH, AaFDH, PsFDH, TsFDH등의 여러 종류가 존재하나, 일반적으로 FDH는 formate oxidation 반응에 대한 선호도가 이산화탄소 reduction 반응에 대한 것 보다 더 크기 때문에 FDH에 의한 이산화탄소 고정화 반응을 실현하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 연구에 따르면, Thiobacillus sp. 유래의 FDH (TsFDH)는 다른 FDH에 비해 이산화탄소 reduction 반응에 대한 촉매활성이 우세하다는 결과가 보고되었다(H, Choe et al., PlosONE, 9:e103111, 2014). 따라서 본 발명의 일 양태에서는 TsFDH를 생체 촉매로 사용하여 CO2 고정화반응을 수행하였다.In one embodiment of the present invention, formate dehydrogenase (FDH) used for the biocatalytic reaction of formic acid is an oxidoreductase which simultaneously activates formate oxidation and carbon dioxide reduction. There are several types of NADH-dependent FDHs, including CbFDH, CsFDH, AaFDH, PsFDH, and TsFDH, which are easily available for commercial use depending on their expression types. In general, FDH indicates that the preference for formate oxidation is related to the carbon dioxide reduction reaction It is difficult to realize the carbon dioxide immobilization reaction by FDH. However, according to recent studies, Thiobacillus sp. (TsfDH) has been reported to be superior to other FDHs in catalytic activity for the carbon dioxide reduction reaction (H, Choe et al., Plosone, 9: e103111, 2014). Therefore, in one embodiment of the present invention, the CO 2 immobilization reaction is performed using TsFDH as a biocatalyst.

본 발명의 다른 양태에서는 실리콘 기반의 광전기화학 전지를 지속가능한 에너지 하베스팅 시스템으로 응용하기 위해서 실제 태양광을 이용할 수 있는 지 solar-tracker를 이용하여 확인한 결과, 이산화탄소 고정화에 의하여 개미산이 생성되는 것을 확인하였으며, 태양광의 변화에 따라 생성된느 개미산의 수율이 변화하는 것 또한 확인하였다. 이러한 결관는 태양광 등의 지속가능한 에너지원과 자연계에 풍부하게 존재하는 물질(이산화탄소, 물)을 이용해서 고부가가치의 정밀화합물을 합성할 수 있는 플랫폼으로서 활용될 수 있음을 입증하였다. In another embodiment of the present invention, a solar-tracker is used to determine whether solar-based photovoltaic cells can be used as a sustainable energy harvesting system. As a result, it is confirmed that formic acid is generated by carbon dioxide immobilization It was also confirmed that the yield of formic acid produced according to the change of sunlight changes. This connection has proved that it can be used as a platform to synthesize high value-added precise compounds by using sustainable energy sources such as sunlight and substances (carbon dioxide, water) abundant in the natural world.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예 1: 실리콘 기반 광전극의 제작Example 1: Fabrication of silicon-based photoelectrodes

1-1:3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극 제작1-1: Production of 3-jn-Si / ITO / CoPi photovoltaics

3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극은 3-jn-Si/ITO 위에 CoPi를 전착(electrodeposition)하여 제조하였다. 3-전극 전압전극법 구조(3-jn-Si/ITO 작업전극, Ag/AgCl 기준전극 및 Pt 선 대전극(counter electrode))에서, 합성 3-jn-Si/ITO(0.8 x 2cm2)을 0.5 mM Co(NO3)26H2O를 함유하는 100mM KPi buffer (pH 7) 용액 40mL에 담궜다. 그 후, 3-jn-Si/ITO 표면에 CoPi를 전착시키기 위하여, 0.9V의 외부 전압을 서로 다른 시간 동안 인가하였으며, CoPi는 ITO 쪽 면에 전착되었다. 전착 시간이 5분, 10분, 30분 및 60분으로 증가함에 따라, CoPi 전착동안 통과하는 전하의 양은 각각 3.1 mC/cm2, 5.6 mC/cm2, 14.0 mC/cm2 및 31.4 mC/cm2로 증가하였다. 전착 시간이 5분, 10분, 30분 및 60분으로 증가함에 따라, 물분해를 위한 개시전위(onset potential)가 음극성으로 이동하였다. 그러나, 전착시간 60분에서 개시전위의 증가가 관찰되었고, 이는 두꺼운 CoPi 필름의 정공수송(hole transprot)을 제한하여 물분자에 대하 촉매 효과를 감소시켰다(도 2). 따라서, 이 후의 실시예에서는 30분간 전착한 샘플을 사용하였다. The 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode was fabricated by electrodeposition of CoPi on 3-jn-Si / ITO. Synthesis of 3-jn-Si / ITO (0.8 x 2 cm 2 ) was carried out in a 3-electrode voltage electrode structure (3-jn-Si / ITO working electrode, Ag / AgCl reference electrode and Pt line counter electrode) mM Co (NO 3 ) 2 6H 2 O in a solution of 100 mM KPi buffer (pH 7). Thereafter, an external voltage of 0.9 V was applied for different time to electrodeposit CoPi on the 3-jn-Si / ITO surface, and CoPi was electrodeposited on the ITO side. The deposition time was 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes and increasing to 60 minutes, CoPi amount of charge each 3.1 mC / cm 2, to pass during electrodeposition 5.6 mC / cm 2, 14.0 mC / cm 2 and 31.4 mC / cm 2 , respectively. As the electrodeposition time increased to 5, 10, 30 and 60 minutes, the onset potential for water degradation shifted to negative polarity. However, an increase in the initiation potential was observed at an electrodeposition time of 60 minutes, which limited the hole transprot of the thick CoPi film to reduce the catalytic effect on water molecules (FIG. 2). Therefore, in the following examples, electrodeposited samples were used for 30 minutes.

도 3C에는 CiPi를 3-jn-Si/ITO에 0.9V에서 30분간 전착하여 제조한 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극의 SEM 이미지를 나타내었고, 도 3D에는 광조사 조건에서 광양극의 CoPi 촉매 유무에 따른 볼타노그램을 나타내었다.FIG. 3C shows an SEM image of a 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode prepared by electrodepositing CiPi to 3-jn-Si / ITO at 0.9 V for 30 minutes, And the volta - nograms with and without CoPi catalysts are shown.

1-2: H-SiNW 광음극 제작1-2: Fabrication of H-SiNW photocathode

H-SiNW 광음극은 metal-assisted solution etching 방법으로 합성하였다. 즉, p-타입 실리콘 웨이퍼(1 x 7cm2)를 아세톤, 에탄올, 2-프로판올 및 piranha 용액으로 각각 5분간 세척한 후, 탈이온수로 수 회 세척한 후 5% HF용액에 3분간 담구고, 헹구지 않고, 5mM AgNO3와 4.8M HF 용액에 1분간 담군 후, 탈이온수로 충분히 헹궈주었다. 상기 웨이퍼를 암 조건에서, 0.4M H2O2 와 4.8M HF 용액에 30분간 정치하였다. 탈이온수로 수 회 세척한 후, HNO3:물(5:5) 용액에 1시간 동안 담구어 남아있는 은나노입자를 제거하였다. 그 후, 상기 웨이퍼를 1 x 1cm2로 절단하고, 에폭시 수지로 커버된 탄소 페이스트를 이용하여, 구리선과 연결하여 전극으로 만들었다. H-SiNW 광음극은 표면을 수소로 수식하기 위하여, 사용하기 전마다, 5% HF 용액에 5분간 처리하여 사용하였다.H-SiNW photocathodes were synthesized by metal-assisted solution etching. Specifically, p-type silicon wafers (1 x 7 cm 2 ) were washed with acetone, ethanol, 2-propanol and piranha solution for 5 minutes, washed several times with deionized water, immersed in 5% HF solution for 3 minutes, , Immersed in a solution of 5 mM AgNO 3 and 4.8 M HF for 1 minute, and rinsed thoroughly with deionized water. The wafer was allowed to stand for 30 minutes in a 0.4M H 2 O 2 and 4.8M HF solution under dark conditions. After washing several times with deionized water, the silver nanoparticles remaining in the HNO 3 : water (5: 5) solution for 1 hour were removed. Thereafter, the wafer was cut into 1 x 1 cm < 2 > and connected to a copper wire using carbon paste covered with an epoxy resin to make an electrode. The H-SiNW photocathode was treated with 5% HF solution for 5 minutes before use to modify the surface with hydrogen.

실시예 2: 광화학적 NADH 재생Example 2: Photochemical NADH regeneration

광양극 유도 NADH 광재생을 수행하기 위하여, H-SiNW 광음극(1 x 1cm2)을 광조사(420 nm 컷오프 필터를 가진 450 W Xe 램프) 조건에서, 1 mM NAD+ 및 250μM M 를 포함하는 100mM 인산버퍼(pH 7, 10ml)에 담궜다(도 4A). In order to perform Gwangyang pole induction NADH optical reproducing, H-SiNW photocathodes (1 x 1cm 2) On the (450 W Xe lamp with a 420 nm cut-off filter) condition irradiation, containing 1 mM NAD +, and 250μM M Dipped in 100 mM phosphate buffer (pH 7, 10 ml) (Fig. 4A).

순환 전압-전류분석(cyclic voltammogram) 결과, 환원전류의 최대 증가는 250μM의 M을 포함하는 용액이었으며, 500μM의 M을 포함하는 용액의 경우 더 이상의 증가가 확인되지 않았다. 따라서, 이후의 실시예에는 250μM의 M을 사용하였다. H-SiNW 광음극에 전자를 제공하는 물의 산화 반응 은 50mM 인산 버퍼 용액(pH 7, 15ml)에서 420 nm 컷오프 필터를 가진 450 W Xe 램프를 이용하여 빛을 조사하여 수행하였다.  As a result of the cyclic voltammogram, the maximum increase in the reduction current was a solution containing 250 μM of M, and no further increase in the solution containing 500 μM of M was confirmed. Therefore, 250 μM of M was used in the following examples. The oxidation of water to provide electrons to the H-SiNW photocathode was performed by irradiating light with a 450 W Xe lamp with a 420 nm cutoff filter in a 50 mM phosphate buffer solution (pH 7, 15 ml).

NADH 광재생 용액은 3-전극 전압전극 구조(3-jn-Si/ITO 작업전극, Ag/AgCl 기준전극 및 H-SiNW 대전극)에서 물 분해 용액과 염다리(salt bridge)를 통하여 연결되었으며, 0.6V(vs Ag/AgCl)의 외부 전압을 인가하여 반응시켰다. 반응동안, 재생된 NAD+ 농도는 340 nm에서 V-650 spectrophotometer (JASCO Inc., Japan)를 이용하여 측정하였다. 원팟(one-pot) NADH 광재생의 경우는 광양극 및 광음극을 같은 반응용액(1mM NAD+ 및 250μM의 Rh 기반 전자 매개체, pH 7 인산버퍼(100mM))에 담궈 수행하였다. 광양그 유도 NADH 재생 시험은 생성된 NADH의 양이 포화될 때까지 3시간 동안 수행하였으며, 물 분해와 NADH 광재생 과정은 pH7에서 광양극과 광음극을 가시광(λ > 420 nm)으로 조사하여 수행하였다.The NADH photoresponsive solution was connected to the water decomposition solution through a salt bridge in a 3-electrode voltage electrode structure (3-jn-Si / ITO working electrode, Ag / AgCl reference electrode and H- SiNW counter electrode) V (vs Ag / AgCl). During the reaction, the regenerated NAD + concentration was measured at 340 nm using a V-650 spectrophotometer (JASCO Inc., Japan). For one-pot NADH light regeneration, the photoperiod and photocathode were immersed in the same reaction solution (1 mM NAD + and 250 μM Rh-based electron mediator, pH 7 phosphate buffer (100 mM)). The NADH regeneration test was conducted for 3 hours until the amount of NADH produced was saturated. The water decomposition and NADH regeneration process was performed by irradiating the photocathode and photocathode with visible light (λ> 420 nm) at pH 7 Respectively.

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 3-jn-Si/ITO/CoPi와 H-SiNW 광전극을 3-elctrode configuration을 통해 연결하고, 외부 인가전압에 따른 광전류를 측정하여 광음극에서 NADH 재생을 위해 충분한 고아전류가 흐를 수 있는 전압이 0.4(vs. Ag/AgCl)이상 임을 확인하였다(도 4B). 이에 따라 외부인가 전압 별로 NADH 재생효율을 측정한 결과, 0.7V까지는 그 효율이 증가하였지만, 0.8V의 인가전합 하에서는 오히려 재생효율이 떨어지는 것을 관찰하였는데(도 4C), 이는 광음극으로 흐르는 광전류가 많아지면 H-SiNW에서 발생하는 부반응에 참여할 확률이 커지기 때문인 것으로 생각된다.As a result, as shown in FIG. 4, 3-jn-Si / ITO / CoPi and H-SiNW photoelectrodes were connected through a 3-elctrode configuration and the photocurrent was measured according to the external applied voltage. It was confirmed that the voltage at which sufficient orphan current can flow is 0.4 (vs. Ag / AgCl) (FIG. 4B). As a result, the efficiency of the NADH regeneration efficiency was measured according to the externally applied voltage. As a result, the efficiency was increased up to 0.7 V, but the regeneration efficiency was lowered under the application of 0.8 V (FIG. 4C) And the possibility of participating in the side reactions occurring in the H-SiNW on the ground becomes greater.

상기 결과에 따라 광전극 셀기반의 CO2 고정화를 위해 진행할 실험에서는 효율적인 재생효율과 더불어 최소의 외부에너지 input을 고려하여 0.6V의 인가전압 하에서 실험을 진행하였다. 또한, 각각의 광전극이 서로 다른 반응혼합물에 위치하고 광조사 조건에서만 NADH가 효율적으로 재생될 수 있다는 것을 확인하여(도 4D), 광전극 전지는 앞에서 언급한 바와 같이 물분해에 의해 공급되는 전자를 후방전자전달(back electron trasfer)을 최소화 하면서 NADH 재생반응으로 전달해 주는 역할을 할 수 있다는 것을 확인하였다. Based on the above results, experiments were carried out under an applied voltage of 0.6 V in consideration of efficient external regeneration efficiency and minimum external energy input in an experiment to be carried out for CO2 fixing based on a photo electrode cell. In addition, it was confirmed that each of the photoelectrodes was located in different reaction mixture and NADH could be efficiently regenerated only under the light irradiation condition (Fig. 4D). Thus, It is possible to minimize the back electron transfer and transfer it to the NADH regeneration reaction.

실시예 3: 광양극 유래, 생촉매에 의한 COExample 3: Production of CO 22 의 개미산으로의 환원 Reduction to formic acid

TsFDH(서열번호 1)를 이용한 광양극 유래 CO2 고정화는 1mM NAD+, 250μM의 Rh 기반 전자 매개체 및 TsFDH 3mg을 함유하는 100mM 인산버퍼(pH. 7, 15ml)에서 5시간 동안 계속적인 CO2 버블링(bubbling) 조건에서 수행하였다. CO 2 -immobilization with GFDH (SEQ ID NO: 1) was carried out by continuous CO 2 bubbling for 5 hours in 100 mM phosphate buffer (pH 7, 15 ml) containing 1 mM NAD +, 250 μM Rh-based electron mediator and TsFDH 3 mg (bubbling) conditions.

TsFDH에서 CO2는 Lys287에서 캡춰되어 NADH 결합 TsFDH의 활성부위로 이송되고, CO2는 Arg285에서 안정화되고, TsFDH는 NAD+와 개미산(formate)을 방출한다. 각 반응 성분의 첨가 전에 100mM 인산 용액을 CO2 가스로 포화되도록 하였으며, 광 조사 효과에 의하여, 각 반응 혼합물이 온도는 약 32℃를 유지하였다. 다른 실험 조건은 광양극 유도 NADH 광재생과 동일하게 유지하였다. 개미산 농도는 TsFDH를 불활성화 시키기 위하여, H2SO4로 용액을 희석한 후 개미산 피크를 영역을 계산하여 측정하였으며, 피크는 Aminex  HPX-87H ion exclusion 컬럼이 장착된 LC(LC-20A, Shimadzu, Japan)를 이용하여 측정하였다. In TsFDH, CO 2 is captured at Lys 287 and transported to the active site of the NADH-binding TsFDH, CO 2 is stabilized at Arg285, and TsFDH releases NAD + and formate. Prior to the addition of each reaction component, 100 mM phosphoric acid solution was saturated with CO 2 gas, and the temperature of each reaction mixture was kept at about 32 ° C by irradiation effect. The other experimental conditions were the same as those of Gwangyang - gu induced NADH light regeneration. The formic acid concentration was determined by diluting the solution with H 2 SO 4 to inactivate TsFDH and calculating the area of the formic acid peak,   (LC-20A, Shimadzu, Japan) equipped with an HPX-87H ion exclusion column.

각 광전극의 기여도를 확인하기 위하여, CO2 고정은 3-jn-Si/ITO/CoPi 작업전극과 Pt 대전극 또는 Pt 작업전극과 H-SiNW 대전극을 사용하는 것을 제외하고는 동일한 full-cell 시스템에서 수행하였다. In order to confirm the contribution of each photoelectrode, CO 2 fixation was performed using the same full-cell except for using 3-jn-Si / ITO / CoPi working electrode and Pt or Pt working electrode and H- System.

개미산에 대한 패러데이 효율(Faradaic efficiency)는 다음 식으로 계산하였다:The faradaic efficiency for formic acid was calculated by the following formula:

Faradaic efficiency =

Figure 112016054918895-pat00001
Faradaic efficiency =
Figure 112016054918895-pat00001

여기서, n은 개미산 생산에 필요한 전자의 수이고, F는 패러데이 상수이고 Q는 반응동안 흐르는 전하이다.Where n is the number of electrons required for formic acid production, F is the Faraday constant and Q is the charge flowing during the reaction.

TsFDH에 의한 이산화탄소 고정화를 위해서는 Rh 매개체, NAD+ 및 TsFDH와 같은 여러 성분들이 필수적으로 필요하고, 성공적인 formate 합성을 위해서는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극으로부터 전달받은 전자가 H-SiNW를 통해 Rh-매개체, NAD+를 거쳐 TsFDH로 연속적으로 잘 전달되어야만 한다.For the successful formation of formate, the electrons transferred from the 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode are transported through the H-SiNW to Rh - mediator, NAD +, and TsFDH.

따라서, 개미산 합성을 위한 반응 혼합물에 각각의 성분들을 하나씩 연속적으로 첨가하고 이에 따라 합성되는 개미산의 양을 비교함으로써 각각의 성분들로 전자가 연속적으로 잘 전달되고 있는지를 확인하였다.Thus, the components were added one by one to the reaction mixture for the synthesis of formic acid, and the amount of the formic acid synthesized was then compared to confirm that the electrons were continuously transferred to the respective components.

그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, H-SiNW만 존재할 때에 비해 Rh-매개체, NAD+ 를 순차적으로 첨가하였을 때 H-SiNW의 표면에서 만들어지는 개미산의 양이 줄어들었다. 그러나, TsFDH를 첨가한 반응물에서는 5시간 동안 총 1.06mM의 개미산이 생성되는 것을 확인하였고, 이는 H-SiNW 만 존재하였을 때 생성되는 개미산의 양(0.23mM)의 4.6배에 해당된다. 이를 통하여 H-SiNW에서 발생한 광-유도 전자가 Rh 매개체를 거쳐 NAD+로 잘 전달되어 TsFDH 반응에 효율적으로 참여하고 있다는 것을 확인하였다. 또한 TsFDH에 의한 개미산 생성반응에 대한 패러데이 효율(21.6%)이 H-SiNW 단독으로 존재할 때 전극 표면에서 일어나는 개미산 생성반응에 대란 패러데이 효율(7.5%)보다 상당히 증가한 것을 통해 본 발명에 따라 구축된 생체촉매반응 시스템이 이산화탄소 고정화 반응에 대한 선택성 또한 증가시키고 있음을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 5, when the Rh-mediator and NAD + were sequentially added, the amount of formic acid produced on the surface of H-SiNW was reduced as compared with the case where only H-SiNW was present. However, in the reaction with TsFDH added, a total of 1.06 mM formic acid was produced for 5 hours, which corresponds to 4.6 times the amount of formic acid (0.23 mM) produced when only H-SiNW was present. It was confirmed that the photo-induced electrons generated in the H-SiNW were efficiently transferred to the NAD + via the Rh-mediator and efficiently participated in the TsFDH reaction. In addition, the faraday efficiency (21.6%) for the formation reaction of TsFDH by the H-SiNW alone was considerably higher than the faraday efficiency (7.5%) for the formic acid generation reaction occurring on the electrode surface when H-SiNW alone existed. It was found that the catalytic reaction system also increased the selectivity for the carbon dioxide immobilization reaction.

아울러, 각각의 광전극이 Pt 전극으로 대체되었을 때 개미산 생성에 어떤 영향을 미치는지를 조사하여, 3-jn-Si/ITO/CoPi, H-SiNW 광전극 각각의 효울을 확인하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, H-SiNW 광음전극을 Pt 전극으로 대체하면 개미산 생성량이 0.1mM로 감소하고, 이 반응에 대한 패러데이 효율은 0.22%에 불과하다는 것을 확인하였다. 이를 통해 광조사 조건에서 H-SiNW가 가지는 추가적인 redox potential이 Rh 매개체로 전자를 전달하는데 결정적인 역할을 하는 것을 알 수 있다. 또한, 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양전극을 Pt 전극으로 대체하면 개미산 생성량이 0.06mM로 감소하고, 이 반응에 대한 패러데이 효율이 1.91%에 그치는 것으로 확인되어, 본 발명에 따른 3-jn-Si/ITO/CoPi에서의 물분해 반응에 의한 전자의 공급이 이산화탄소 고정화 시스템 구동의 중요한 동력이 되고 있음을 확인하였다. In addition, the effect of 3-jn-Si / ITO / CoPi and H-SiNW photoelectrodes was confirmed by investigating how each photoelectrode was substituted with a Pt electrode. As shown in FIG. 5, when the H-SiNW phonetic electrode was replaced with a Pt electrode, the amount of formic acid was reduced to 0.1 mM and the faraday efficiency for this reaction was only 0.22%. This shows that the additional redox potential of H-SiNW in the light irradiation condition plays a crucial role in transferring electrons to the Rh mediator. In addition, when the 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode electrode was replaced with a Pt electrode, the amount of formic acid was reduced to 0.06 mM and the Faraday efficiency for this reaction was found to be only 1.91% It has been confirmed that the supply of electrons by water decomposition reaction in -Si / ITO / CoPi is an important driving force for driving the carbon dioxide immobilization system.

실시예 4: 실리콘 기반 광전기화학 전지의 solar-trackerd에의 적용Example 4: Application of silicon-based photoelectrochemical cell to solar-trackerd

실시예 3의 실리콘 기반의 광전기화학 전지를 지속가능한 에너지 하베스팅 시스템으로 응용하기 위해서는 실제 태양광을 이용할 수 있는지 solar-tracker를 이용하여 확인하였다.In order to apply the silicon-based photovoltaic cell of Example 3 to a sustainable energy harvesting system, solar-tracker was used to confirm whether actual solar light could be used.

본 실시예에서는 TsFDH에 의한 이산화탄소 고정화가 실제 태양광 조사 하에서도 이루어지는 지를 확인하였으며, sola-tracker 내의 solar panel은 태양의움직임에 따라 같이 그 각도가 변화하면서 태양광을 최대로 받을 수 있도록 하였다(도 6). Solar panel에 조사된 태양광은 광섬유를 통해 실험실 안의 광전기화학 전지로 전해지게 된다.In this embodiment, it was confirmed that the CO2 fixation by TsFDH was also performed under actual solar irradiation, and the solar panel in the sola-tracker was able to receive the maximum sunlight while changing its angle according to the movement of the sun 6). The sunlight irradiated on the solar panel is transmitted to the optoelectrochemical cell in the laboratory through the optical fiber.

각각 다른 날에 이산화탄소 고정화 실험을 반복진행하였으며, 도 6에 나타난 바와 같이, 날씨에 따른 자연광의 세기는 전지에 흐르는 광전류 밀도에 직접적인 영향을 미쳤으며, 이는 TsFDH에 의한 개미산 생성율의 변화로 이어지는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해, 본 발명에 의한 실리콘 기반의 광전기화학 전지는 지속가능한 에너지원과 자연계에 풍부하게 존재하는 물질을 이용하여 고부가가치의 정밀화합물을 합성할 수 있는 플랫폼으로서 활용될 수 있다는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 6, the intensity of natural light according to the weather had a direct effect on the photocurrent density flowing in the battery, and it was confirmed that it led to the change of the formic acid production rate by TsFDH Respectively. Based on these results, it has been confirmed that the silicon-based photoelectrochemical cell according to the present invention can be utilized as a platform for synthesizing high-value-added precision compounds by using a substance that is abundant in a natural energy source and a sustainable energy source .

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업게의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의항 정의된다고 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

<110> Korea Advanced Insititute of Science and Technology <120> Method for Regenerati ing Cofactor Using Silicon Based Photoelectrode <130> P16-B104 <160> 1 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 406 <212> PRT <213> Thiobacillus sp. <400> 1 Gly Ala Met Gly Ser Met Ala Lys Ile Leu Cys Val Leu Tyr Asp Asp 1 5 10 15 Pro Val Asp Gly Tyr Pro Lys Thr Tyr Ala Arg Asp Asp Leu Pro Lys 20 25 30 Ile Asp His Tyr Pro Gly Gly Gln Thr Leu Pro Thr Pro Lys Ala Ile 35 40 45 Asp Phe Thr Pro Gly Gln Leu Leu Gly Ser Val Ser Gly Glu Leu Gly 50 55 60 Leu Arg Lys Tyr Leu Glu Ala Asn Gly His Thr Phe Val Val Thr Ser 65 70 75 80 Asp Lys Asp Gly Pro Asp Ser Val Phe Glu Lys Glu Leu Val Asp Ala 85 90 95 Asp Val Val Ile Ser Gln Pro Phe Trp Pro Ala Tyr Leu Thr Pro Glu 100 105 110 Arg Ile Ala Lys Ala Lys Asn Leu Lys Leu Ala Leu Thr Ala Gly Ile 115 120 125 Gly Ser Asp His Val Asp Leu Gln Ser Ala Ile Asp Arg Gly Ile Thr 130 135 140 Val Ala Glu Val Thr Tyr Cys Asn Ser Ile Ser Val Ala Glu His Val 145 150 155 160 Val Met Met Ile Leu Gly Leu Val Arg Asn Tyr Ile Pro Ser His Asp 165 170 175 Trp Ala Arg Lys Gly Gly Trp Asn Ile Ala Asp Cys Val Glu His Ser 180 185 190 Tyr Asp Leu Glu Gly Met Thr Val Gly Ser Val Ala Ala Gly Arg Ile 195 200 205 Gly Leu Ala Val Leu Arg Arg Leu Ala Pro Phe Asp Val Lys Leu His 210 215 220 Tyr Thr Asp Arg His Arg Leu Pro Glu Ala Val Glu Lys Glu Leu Gly 225 230 235 240 Leu Val Trp His Asp Thr Arg Glu Asp Met Tyr Pro His Cys Asp Val 245 250 255 Val Thr Leu Asn Val Pro Leu His Pro Glu Thr Glu His Met Ile Asn 260 265 270 Asp Glu Thr Leu Lys Leu Phe Lys Arg Gly Ala Tyr Ile Val Asn Thr 275 280 285 Ala Arg Gly Lys Leu Ala Asp Arg Asp Ala Ile Val Arg Ala Ile Glu 290 295 300 Ser Gly Gln Leu Ala Gly Tyr Ala Gly Asp Val Trp Phe Pro Gln Pro 305 310 315 320 Ala Pro Lys Asp His Pro Trp Arg Thr Met Lys Trp Glu Gly Met Thr 325 330 335 Pro His Ile Ser Gly Thr Ser Leu Ser Ala Gln Ala Arg Tyr Ala Ala 340 345 350 Gly Thr Arg Glu Ile Leu Glu Cys Phe Phe Glu Gly Arg Pro Ile Arg 355 360 365 Asp Glu Tyr Leu Ile Val Gln Gly Gly Ala Leu Ala Gly Thr Gly Ala 370 375 380 His Ser Tyr Ser Lys Gly Asn Ala Thr Gly Gly Ser Glu Glu Ala Ala 385 390 395 400 Lys Phe Lys Lys Ala Gly 405 <110> Korea Advanced Insititute of Science and Technology <120> Method for Regenerating Cofactor Using Silicon Based          Photoelectrode &Lt; 130 > P16-B104 <160> 1 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 406 <212> PRT <213> Thiobacillus sp. <400> 1 Gly Ala Met Gly Ser Met Ala Lys Ile Leu Cys Val Leu Tyr Asp Asp   1 5 10 15 Pro Val Asp Gly Tyr Pro Lys Thr Tyr Ala Arg Asp Asp Leu Pro Lys              20 25 30 Ile Asp His Tyr Pro Gly Gly Gln Thr Leu Pro Thr Pro Lys Ala Ile          35 40 45 Asp Phe Thr Pro Gly Gln Leu Leu Gly Ser Val Ser Gly Glu Leu Gly      50 55 60 Leu Arg Lys Tyr Leu Glu Ala Asn Gly His Thr Phe Val Val Thr Ser  65 70 75 80 Asp Lys Asp Gly Pro Asp Ser Val Phe Glu Lys Glu Leu Val Asp Ala                  85 90 95 Asp Val Val Ser Ser Gln Pro Phe Trp Pro Ala Tyr Leu Thr Pro Glu             100 105 110 Arg Ile Ala Lys Ala Lys Asn Leu Lys Leu Ala Leu Thr Ala Gly Ile         115 120 125 Gly Ser Asp His Val Asp Leu Gln Ser Ala Ile Asp Arg Gly Ile Thr     130 135 140 Val Ala Glu Val Thr Tyr Cys Asn Ser Ile Ser Val Ala Glu His Val 145 150 155 160 Val Met Met Ile Leu Gly Leu Val Arg Asn Tyr Ile Pro Ser His Asp                 165 170 175 Trp Ala Arg Lys Gly Gly Trp Asn Ile Ala Asp Cys Val Glu His Ser             180 185 190 Tyr Asp Leu Glu Gly Met Thr Val Gly Ser Val Ala Ala Gly Arg Ile         195 200 205 Gly Leu Ala Val Leu Arg Arg Leu Ala Pro Phe Asp Val Lys Leu His     210 215 220 Tyr Thr Asp Arg His Arg Leu Pro Glu Ala Val Glu Lys Glu Leu Gly 225 230 235 240 Leu Val Trp His Asp Thr Arg Glu Asp Met Tyr Pro His Cys Asp Val                 245 250 255 Val Thr Leu Asn Val Pro Leu His Pro Glu Thr Glu His Met Ile Asn             260 265 270 Asp Glu Thr Leu Lys Leu Phe Lys Arg Gly Ala Tyr Ile Val Asn Thr         275 280 285 Ala Arg Gly Lys Leu Ala Asp Arg Asp Ala Ile Val Arg Ala Ile Glu     290 295 300 Ser Gly Gln Leu Ala Gly Tyr Ala Gly Asp Val Trp Phe Pro Gln Pro 305 310 315 320 Ala Pro Lys Asp His Pro Trp Arg Thr Met Lys Trp Glu Gly Met Thr                 325 330 335 Pro His Ile Ser Gly Thr Ser Leu Ser Ala Gln Ala Arg Tyr Ala Ala             340 345 350 Gly Thr Arg Glu Ile Leu Glu Cys Phe Phe Glu Gly Arg Pro Ile Arg         355 360 365 Asp Glu Tyr Leu Ile Val Gln Gly Gly Ala Leu Ala Gly Thr Gly Ala     370 375 380 His Ser Tyr Ser Lys Gly Asn Ala Thr Gly Gly Ser Glu Glu Ala Ala 385 390 395 400 Lys Phe Lys Lys Ala Gly                 405

Claims (18)

(a) npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 인듐 틴 옥사이드(ITO) 및 인산코발트(CoPi)층이 코팅되어 있는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극; 및
(b) 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극을 포함하고,
상기 광양극과 광음극은 서로 분리된 전해질 용액에 침지되어 전자가 이동하는 염다리를 통하여 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광전기화학 전지.
(a) 3-jn-Si / ITO / CoPi photocathode in which indium tin oxide (ITO) and cobalt phosphate (CoPi) layers are coated on npp + 3-silicon (3-jn-Si); And
(b) a photonic cathode composed of silicon nanowires (H-SiNW) surface-modified with hydrogen ions,
Wherein the photocathode and the photocathode are immersed in an electrolyte solution separated from each other and connected to each other through a brassiere where electrons move.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극을 산화형 보조인자 및 전자 전달매개체가 포함되어 있는 용액에 침지시키고,
npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 인듐 틴 옥사이드(ITO) 및 인산코발트(CoPi)층이 코팅되어 있는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음,
상기 전해질 용액에 침지된 광양극과 광음극을 전자가 이동하는 염다리를 통하여 연결하고,
광을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 재생방법.
A photocathode composed of a silicon nanowire (H-SiNW) surface-modified with a hydrogen ion is immersed in a solution containing an oxidizing co-factor and an electron transfer mediator,
A 3-jn-Si / ITO / CoPi photovoltaic cell in which indium tin oxide (ITO) and cobalt phosphate (CoPi) layers are coated on npp + ternary silicon (3-jn-Si) After immersion,
The photocathode immersed in the electrolyte solution is connected to the photocathode through a bridle through which electrons move,
And irradiating the light with a light.
제6항에 있어서, 상기 산화형 보조인자는 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide), NADP+(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), 플라빈 보조인자인 FAD+(flavin adenine dinucleotide), FMN+(flavin monoucleotide), 세포 내 헤민 및 리포산로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. The method of claim 6, who the oxidized cofactor NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide), NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), flavin cofactor design FAD + (flavin adenine dinucleotide), FMN + (flavin monoucleotide), intracellular hemin &Lt; / RTI &gt; and lipoic acid.
제6항에 있어서, 상기 전자전달 매개체는 메틸비올로겐, 루테늄Ⅱ 복합체 및 로듐 Ⅲ 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. The method of claim 6, wherein the electron transfer mediator is selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium II complex and rhodium III complex.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제6항에 의해 재생된 보조인자를 기질의 산화화원효소 반응에 사용하여 유용물질을 제조하는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
An artificial photosynthetic method, characterized in that a co-factor regenerated by claim 6 is used in an oxidative source enzyme reaction of a substrate to produce a useful substance.
제13항에 있어서, 상기 재생된 보조인자에 의해 생성되는 유용물질은 글루타메이트(glutamate), 아스파테이트(aspartate), 젖산(lactate), 인공아미노산(unnatural aminoacid), 이부프로펜(Ibuprofen), 프라바스타틴(Pravastatin), 텍솔(Texol), 광학이성질체 및 인공아미노산을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
14. The method of claim 13, wherein the useful substance produced by the regenerated cofactor is selected from the group consisting of glutamate, aspartate, lactate, unnatural aminoacid, Ibuprofen, pravastatin, , Texol, optical isomers and artificial amino acids. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 8. &lt; / RTI &gt;
수소이온으로 표면이 수식된 실리콘 나노와이어(H-SiNW)로 구성된 광음극을 NAD+ 및 전자 전달매개체, 포메이트 디하이드로게나아제(Formate dehydrogenase)를 포함하고, 이산화탄소가 지속적으로 공급되는 용액에 침지시키고,
npp+ 3종 실리콘(3-jn-Si) 위에 인듐 틴 옥사이드(ITO) 및 인산코발트(CoPi)층이 코팅되어 있는 3-jn-Si/ITO/CoPi 광양극을 전자공여체인 물을 포함하는 용액에 침지시킨 다음, 상기 광음극과 광양극이 침지된 용액은 전자가 이동하는 염다리를 통하여 연결하고,
광을 조사하는 것을 특징으로 하는 개미산의 제조방법.
A photocathode composed of silicon nanowires (H-SiNW) surface-modified with hydrogen ions is immersed in a solution containing NAD + and an electron transfer mediator, formate dehydrogenase, in which carbon dioxide is continuously supplied ,
A 3-jn-Si / ITO / CoPi photovoltaic cell in which indium tin oxide (ITO) and cobalt phosphate (CoPi) layers are coated on npp + ternary silicon (3-jn-Si) The solution immersed in the photocathode and the photocathode is connected through a bridle to which electrons are transferred,
Wherein the step of irradiating light with a light is carried out.
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