KR102154152B1 - 유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지 - Google Patents

유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102154152B1
KR102154152B1 KR1020190063836A KR20190063836A KR102154152B1 KR 102154152 B1 KR102154152 B1 KR 102154152B1 KR 1020190063836 A KR1020190063836 A KR 1020190063836A KR 20190063836 A KR20190063836 A KR 20190063836A KR 102154152 B1 KR102154152 B1 KR 102154152B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
electrolyte
microbial fuel
glass beads
metal nanoparticles
Prior art date
Application number
KR1020190063836A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200097619A (ko
Inventor
송영석
송재준
Original Assignee
단국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 단국대학교 산학협력단 filed Critical 단국대학교 산학협력단
Publication of KR20200097619A publication Critical patent/KR20200097619A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102154152B1 publication Critical patent/KR102154152B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8673—Electrically conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 유리비드와 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로 전해액에 유리비드 및 금속나노입자를 소정량 포함하는 경우 미생물 기반 미생물 연료전지(Bio-photovoltaic cell) 내 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지{Electrolyte for Bio-photovoltaic cell comprising glass beads and metal nanoparticles, and Bio-photovoltaic cell comprising the same}
본 발명은 유리비드와 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지에 관한 것으로, 구체적으로 전해액에 유리비드 및 금속나노입자를 소정량 포함하는 경우 미생물 기반 미생물 연료전지(Bio-photovoltaic cell) 내 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.
식물 또는 조류(algae) 세포의 광합성은 태양에너지와 물을 이용하여 세포 생존을 위해 필요한 에너지를 생성하며, 그 양자효율(quantum efficiency)은 100%에 이른다. 따라서, 최근 이러한 광합성 과정을 직/간접적으로 이용하거나 또는 광합성 과정을 모사하여 필요한 전기 에너지 또는 산소/수소를 생성하려는 다양한 연구가 시도되고 있다.
특히, 바이오 광전지 또는 미생물 연료전지라고 불리는‘Bio-photovoltaic cell’은 미생물의 전기화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치이다(도 1 참조). 미세조류 내부에 존재하는 엽록소에서 작용하는 광합성 반응을 통해 생성되는 전자를 인간이 이용할 수 있는 전기에너지로 전환시키는 장치를 말한다. 미세조류는 광조사 환경에서 세포내 존재하는 엽록소에서 광합성작용을 하게 되고, 이를 통해 발생한 전자는 전자전달매개체를 통해 전극으로 이동하게 된다. 전극으로 이동한 전자는 외부도선으로 흘러 최종적으로 전기에너지로 변환된다. 이러한 미생물의 전기화학적 활성을 이용하여 하·폐수 내에 존재하는 유기물로부터 직접적으로 전기를 생산하는 등, 기존의 에너지 소모형 처리기술을 대체할 수 있는 잠재적 기술로서 주목 받고 있다.
미생물은 산화반응을 통하여 에너지를 얻어 성장하며 그 과정에서 전자와 양이온을 생성한다. 또한, 이렇게 생성된 전자는 직접적 또는 간접적으로 산화 전극으로 전달된 후 연결된 회로를 통하여 환원 전극으로 이동하게 되며, 양이온은 분리막을 통과하여 환원 전극부로 전달된다. 환원 전극에서는 전달된 전자 및 양이온과 함께 주로 산소와 같은 전자수용체를 이용하여 환원반응이 일어나게 된다.
하기의 반응식은 산소를 전자수용체로 사용하는 통상의 미생물 연료전지에서 일어나는 반응의 예를 나타낸 것이다.
[반응식 1]
음극반응: 유기물 --> 전자(e-) + 양성자(H+) + 이산화탄소(CO2)
양극반응: 전자(e-)+ 양성자(H+)+ 산소(O2)--> 물(H2O)
그러나, 지금까지 미생물 연료전지(Bio-photovoltaic cell)은 출력 향상의 가능성을 향하여 국내·외적으로 많은 연구가 이루어져 왔으나 연료전지의 효율을 감소시키는 농도 분극(concentration polarization), 내부저항증가, 바이오 필름의 증가 등 다양한 형태의 화학적 반응을 야기함으로써, 미생물 연료전지의 개발에 있어 여전히 에너지 출력이 약하기 때문에 타문에 지속적 에너지 생성에 어려워 실용화의 어려움이 있다.
또한 종래의 미생물 연료전지 중 직접 세포를 이용할 경우에는, 지속적으로 세포를 흘려주거나 세포 배양액을 공급해야 하기 때문에 외부 전원을 필요로 하는 펌프 시스템(solution injection으로 표시)을 필요로 한다. 이러한, 펌프 시스템은 실생활에 사용하기에 번거롭고 복잡한 구조이며, 또한, 에너지원이 공급되지 못할 때 에너지 생산이 중단된다는 문제점이 있다.
따라서 지속적으로 세포를 흘려주거나 세포 배양액을 공급하기 위한 외부 전원을 필요로 하는 펌프 시스템이 없으면서도, 에너지 출력을 향상시키고 지속적 에너지 생성이 가능한 전지가 요구된다.
이에 본 발명의 발명자들은 미생물 연료전지의 전해액에 금속나노입자와 유리비드를 첨가하여 기존의 화학적 전자전달 매체를 대체하고, 기존의 미생물 연료전지의 효율을 높이는 연구를 진행하였다.
일본 공개특허 제2006-190502호(2006.07.20. 공개) 한국 등록특허 제10-1884512호(2018.08.01. 공고)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 발명자들은 미생물 연료전지의 조류세포를 포함하는 전해액에, 유리비드 및 금속나노입자를 소정량 포함하는 경우 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 구현할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 고안하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 출력을 향상시키고 지속적 에너지 생성하기 위해 미생물 연료전지에 흡수되는 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지용 전해액을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 전해액을 이용한 미생물 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포를 포함하는 전해액 조성물은 조류세포, 유리비드, 및 금속나노입자 분산액을 포함한다.
상기 조류세포는 남조류 또는 녹조류 또는 이들의 혼합일 수 있다.
상기 조류세포는 아나베나(Anabeana), 노스톡(Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스(Schizothrix), 시네코코커스(Synechococcus), 클로렐라(chlorella), 장구말(desmid), 파래(green laver) 및 해캄(spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유리비드는 평균입자크기가 100 내지 700㎛일 수 있다.
상기 유리비드는 전해액 전체 부피에 대해서 15 내지 30부피%를 포함할 수 있다.
상기 금속나노입자 분산액은 Ag, Au 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속나노입자를 포함할 수 있다.
상기 금속나노입자는 평균입자크기가 5 내지 100nm 일 수 있다.
상기 금속나노입자 분산액은 전해액 전체 부피에 대해서 15 내지 30부피%를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미생물 연료전지는 공기음극(air cathode); 금속양극(metal anode); 및 상기 조류세포, 유리비드 및 금속나노입자 분산액을 포함하는 전해액;을 포함한다.
본 발명에 따른 전해액은 금속나노입자와 유리비드를 이용하여 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전해액은 화학 약품을 사용하지 않아 친환경적이다.
또한, 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 세포의 광합성과 호흡 과정에서 일어나는 산화·환원 반응을 이용하므로, 충·방전을 할 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 세척이 용이하다.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 내 유리비드, 금속나노입자, 및 조류세포의 모식도(a)와, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 모식도(b)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전해액 조성물 내 유리비드의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해액 조성물 내 조류세포의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 전해액 조성물 내 금속나노입자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 미생물 연료전지 내 유리비드 및 은나노입자 크기에 따른 누적 저항 별 경과 시간에 대한 전류밀도 측정 결과이다.
도 7은 미생물 연료전지 내 유리비드 및 은나노입자 크기에 따른 전류밀도에 대한 전압 측정 결과이다.
도 8은 미생물 연료전지 내 유리비드 및 은나노입자 크기에 따른 전력밀도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 미생물 연료전지 내 유리비드 및 금속나노입자 크기에 따른 최대전력밀도 측정 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 조류세포, 유리비드, 및 금속나노입자 분산액을 포함하는 미생물 연료전지용 전해액에 관한 것이다. 상기 전해액은 물을 포함하고 있다.
상기 조류세포는 빛의 흡수 파장 영역이 가시광선 영역이며 주된 흡수 파장이 380 내지 420nm이고, 중간 매개물(mediator) 없이도 자체적으로 생존이 가능한 세포이다. 이는 광합성을 하면서 자체적으로 생존성도 유지할 수 있는 세포로서, 바람직하게는 남조류 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 조류세포는 아나베나(Anabeana), 노스톡(Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스(Schizothrix), 시네코코커스(Synechococcus), 클로렐라(chlorella), 장구말(desmid), 파래(green laver) 및 해캄(spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 조류세포의 먹이인 미네랄을 약 2 내지 5주 주기로 투입하여 준다.
또한, 상기 조류세포는 미생물 연료전지용 전해액 1ml에 대하여 1X106 내지 2X108 개로 포함되며, 바람직하게는 1X107 내지 4X107 개의 조류세포를 포함할 수 있다.
상기 조류세포가 1X106 개 미만으로 포함되면 광합성량이 부족하여 미생물 연료전지로의 의미가 없고, 2X108 개 초과하여 포함되면 전해액 조성물의 탁도가 증가하고, 전해액의 조성이 바뀌어 조류세포의 생존이 어려워지며, 그에 따라 광합성 효율이 떨어지게 된다.
상기 유리비드(glass bead)란, 유리로 된 비드로 작은 구체, 원주체를 말하며, 상기 글래스 비드는 당 기술 분야에 알려진 재료를 사용할 수 있다.
상기 유리비드는 태양광선을 유리비드의 한 초점에 집중시켜 태양광을 수집하는 것으로 태양광 경로를 조절할 수 있는 것으로, 유리비드의 평균입자크기는 바람직하게 100 내지 700㎛, 더욱 바람직하게 100 내지 250㎛이고, 더욱 더 바람직하게는 150 내지 200㎛이다.
상기 유리비드는 전해액 전체 부피에 대해 15 내지 30부피%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30부피%이다. 유리비드가 15부피% 미만인 경우 광 증폭 효과가 미비하며, 30부피% 초과하는 경우 전해액이 유체의 특성을 잃는 한계가 있어 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속나노입자는 미생물 연료전지에서 조류 세포의 광합성을 통하여 생성되는 전자를 음극으로 이동시켜주며, 양극에서 발생하는 전자를 받아 조류 세포를 호흡할 수 있게 하는 중간 매개체 역할을 한다.
또한, 상기 금속나노입자는 빛과 공명하여 빛을 재방출할 수 있으며(plasma effect) 전자를 이동 수단이 될 수 있는 것이면 제한되지 않으나, 바람직하게는 Ag, Au 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 은(Ag)이다.
이때 금속나노입자는 응집으로 인한 분산의 안정성을 해결하기 위해 물에 분산시켜 금속나노입자 분산액으로 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 분산성을 향상시키기 위해, 구연산 나트륨(sodium citrate)을 미량으로 더 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 금속나노입자 분산액 1ml 내에는 금속나노입자 0.1 내지 10%(중량/부피, w/v)를 포함하며, 바람직하게는 1 내지 5% (중량/부피, w/v)일 수 있다. 상기 금속나노입자가 0.1% (w/v) 미만으로 포함되면, 전해액 조성물 내 금속나노입자의 함량이 미미하여 전자 이동이 어렵고, 10% (w/v) 초과하여 포함되면, 전해액의 색이 어두워져 산화 챔버에서 세포의 광합성이 일어나기 어려워진다.
상기 금속나노입자는 평균입자크기가 바람직하게는 5 내지 100nm 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 내지 60nm, 더욱 더 바람직하게는 30 내지 50nm이다.
아울러, 상기 금속나노입자 분산액은 전해액 전체 부피에 대해 15 내지 30부피%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30부피%이다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미생물 연료전지는 공기음극(air cathode); 금속양극(metal anode); 및 상기 언급한 유리비드와 금속나노입자가 포함된 전해액;을 포함한다.
상기 공기음극은 나피온 멤브레인(Nafion membrane) 상부에 카본 펠트(Carbon felt)가 적층되고 그 위에 백금 코팅(Platinum coating)된 것을 사용할 수 있으나, 당업계에서 사용될 수 있는 것이라면 반드시 이에 제한되지 않는다.
아울러, 상기 금속양극은 백금 메쉬(Platinum mesh), 은 메쉬(Silver mesh) 및 금 메쉬(Gold mesh)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 당업계에서 사용될 수 있는 것이라면 반드시 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 공기음극과 금속양극은 본 발명에 따른 전해액에 담지되어 있을 수 있다.
상기 미생물 연료전지에 빛이 조사되면, 전해액 조성물의 조류세포가 광합성을 함에 따라 전자가 발생하며, 상기 전자는 조류세포의 호흡이 일어나게 한다. 따라서, 조류세포의 광합성 및 호흡을 통한 전자의 이동으로 인하여 미생물 연료전지의 전류가 흐르게 된다.
이에 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 세포의 생체 대사인 광합성 및 호흡과정을 이용하여 전류를 흐르게 하는 것으로, 친환경적이며 전지의 충·방전이 필요 없는 효과를 지니고 있고, 종래의 미생물 연료전지에서 필요했던 펌프 시스템이 없기에 구조적 복잡성이 없어 실생활에 보다 적용하기 용이해졌다.
따라서, 본 발명에 따른 전해액은 유리비드 및 금속나노입자를 소정량 사용함으로써 세포 광전지의 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 구현할 수 있게 하였다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명에 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 조류세포 준비
본 발명에서 사용한 조류세포는 시네코코커스 균주(Synechococcus sp.)로서원통형 단세포 미세조류이다. 이 조류세포는 생물자원센터에서 분양받아 사용하였다. 조류세포의 농도 즉 단위 부피당 개체수는 전지의 전류발생에 직접적인 영향을 미치기 때문에 본 연구에서는 조류세포의 농도를 일정하게 유지하여 측정 분석을 용이하도록 준비하였다. 조류세포의 농도는 헤모사이토미터(Hemocytometer)를 이용해 단위부피당 개체수를 세어, 희석 또는 농축과정을 통해 모든 실험의 조류세포 농도를 일정하게 유지하였다. 이때, 조류세포의 개수는 헤모사이토미터(Hemocytometer)라는 격자가 새겨져 있는 특수 슬라이드 글라스를 이용해 현미경을 이용해 육안으로 세어 2ml 당 미세조류의 농도를 파악하였고, 이후 희석 또는 농축 과정을 거쳐 농도를 일정하게 유지하였다. 본 발명에서는 2ml 당 평균 6X107 내지 7X107개의 시네코코커스 균주를 포함하는 조류세포를 사용하였다.
제조예 2: 은나노입자 분산액의 제조
하기 비교예 및 실시예에서 사용되는 은나노입자(제품명:Silver dispersion, 제조사:Sigma Aldrich) 0.02mg을 물에 넣어 은나노입자 분산액 1ml(분산액에는 구연산 나트륨이 0.1% 이내로 미량 포함됨)를 제조하였다.
비교예 1
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 물 2ml에, 시네코코커스(Synechococcus) 균주 6X107 내지 7X107개를 포함하는 조류세포 2ml를 혼합하여 전해액 4ml를 제조하였다.
전해액 조성 및 성분
구분 조류세포1) 유리비드
(평균입자크기;㎛)		 은나노분산액4)
(나노입자 평균입자크기;nm)		 물
(Distilled Water)		 총 부피
비교예 1 Only Cell 2ml - - 2ml 4ml
비교예 2 C-GB_180 2ml 2.648 g
(180㎛)2) 		- 1ml 4ml
비교예 3 C-GB_510 2ml 2.648 g
(510㎛)3) 		- 1ml 4ml
비교예 4 C-AgNP_10 2ml - 1ml
(10 nm)		 1ml 4ml
비교예 5 C-AgNP_40 2ml - 1ml
(40 nm)		 1ml 4ml
비교예 6 C-AgNP_100 2ml - 1ml
(100 nm)		 1ml 4ml
실시예 1 C-Hybrid 2ml 2.648 g
(180㎛)2) 		1ml
(40 nm)		 - 4ml
1) 2 ml 당 평균 6X107 내지 7X107개의 시네코코커스 균주를 포함함.
2) 입자크기가 150 내지 212㎛인 것을 포함하는 것으로, 유리비드 2.648 g는 1ml 부피를 갖음.
3) 입자크기가 425내지 600㎛인 것을 포함하는 것으로, 유리비드 2.648 g는 1ml 부피를 갖음.
4) 은나노분산액 1ml에는 0.02mg의 은나노입자가 포함됨.
비교예 2
물 1 ml에, 시네코코커스(Synechococcus) 균주 6X107 내지 7X107개를 포함하는 조류세포 2ml, 및 평균입자크기가 180㎛인 유리비드 2.648g을 첨가하고 혼합하여 전해액 4ml를 제조하였다.
비교예 3
비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 평균입자크기가 510㎛인 유리비드를 사용하였다.
비교예 4
물 1ml, 시네코코커스(Synechococcus) 균주 6X107 내지 7X107개를 포함하는 조류세포 2ml, 및 평균입자크기가 10nm인 은나노입자를 포함하는 은나노입자분산액 1ml를 첨가하고 혼합하여 전해액 4ml를 제조하였다.
비교예 5
비교예 4와 동일한 방법으로 제조하되, 평균입자크기가 40nm인 은나노입자를 사용하였다.
비교예 6
비교예 4와 동일한 방법으로 제조하되, 평균입자크기가 100nm인 은나노입자를 사용하였다.
실시예 1
시네코코커스(Synechococcus) 균주 6X107 내지 7X107개를 포함하는 조류세포 2ml, 평균입자크기가 180㎛인 유리비드 2.684g, 및 평균입자크기가 10nm 은나노입자를 포함하는 은나노입자분산액(분산액에는 구연산 나트륨이 0.1% 이내로 미량 포함됨) 1ml를 첨가하고 혼합하여 전해액 4ml를 제조하였다.
실험예 1: 주사전자현미경 관찰
상기 실시예 1의 전해액을 주사전자현미경을 관찰하고, 그 결과를 도 3 내지 도 5에 나타냈다. 도 5를 살펴보면, 은나노입자에 시네코코커스(Synechococcus) 균주가 부착되어 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 전류밀도, 전압, 전력밀도, 최대전력밀도의 측정
상기 비교예 1 내지 6 및 실시예 1에서 제조한 전해액을 미생물 연료전지에 투입하여 2전극 방식으로 실험을 진행하였으며, 150W의 할로겐 램프의 광조사 하에서 진행하여 미생물 연료전지의 전류밀도(Current density), 전압(Voltage), 전력밀도(Power density), 최대전력밀도(Max Power density)를 측정하였고, 측정결과를 도 6 내지 도 9에 나타내었다.
도 6 내지 도 9를 살펴보면, 유리비드 또는 나노입자를 포함한 전해액 비교예 2 내지 6은 아무것도 넣지 않은 비교예 1과 대비하여 전류밀도(Current density), 전압(Voltage), 전력밀도(Power density), 최대전력밀도(Max Power density)가 모두 우수하였다. 아울러, 유리비드 단독으로 사용한 비교예 2 및 3의 경우 평균 입경이 작은 비교예 2가 가장 전기적 효과가 우수하였으며, 금속나노입자 단독으로 사용한 비교예 4 내지 비교예 6의 경우 40nm 평균입자크기를 갖은 비교예 5가 가장 전기적 효과가 우수하였다.
이중 본 발명에 따라 유리비드 및 은나노입자를 모두 포함하는 전해액을 사용한 실시예 1의 경우 전기 화학적으로 가장 우수한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 전해액은 유리비드 및 금속나노입자를 소정량 포함함으로써 세포 광전지의 광경로를 조절함으로써 고효율 에너지를 갖는 미생물 연료전지를 구현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (8)

  1. 조류세포, 유리비드 및 금속나노입자 분산액을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조류세포는 아나베나(Anabeana), 노스톡(Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스(Schizothrix), 시네코코커스(Synechococcus), 클로렐라(chlorella), 장구말(desmid), 파래(green laver) 및 해캄(spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리비드는 평균입자크기가 100 내지 700㎛인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리비드는 전해액 전체 부피에 대해서 15 내지 30부피%인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속나노입자 분산액은 Ag, Au 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속나노입자는 평균입자크기가 5 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속나노입자 분산액은 전해액 전체 부피에 대해서 15 내지 30부피%인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 전해액.
  8. 공기음극(air cathode); 금속양극(metal anode); 및 제 1 항 내지 제 7 항 중에서 선택된 어느 한 항의 미생물 연료전지용 전해액;을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
KR1020190063836A 2019-02-08 2019-05-30 유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지 KR102154152B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190014994 2019-02-08
KR20190014994 2019-02-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200097619A KR20200097619A (ko) 2020-08-19
KR102154152B1 true KR102154152B1 (ko) 2020-09-09

Family

ID=72291807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190063836A KR102154152B1 (ko) 2019-02-08 2019-05-30 유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102154152B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101884512B1 (ko) 2016-03-04 2018-08-01 단국대학교 산학협력단 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
JP2018142541A (ja) 2017-02-28 2018-09-13 公立大学法人大阪府立大学 電気化学デバイスおよびその製造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190502A (ja) 2004-12-28 2006-07-20 Tokyo Univ Of Agriculture & Technology バイオ燃料電池用電極およびバイオ燃料電池
GB0719009D0 (en) * 2007-09-28 2007-11-07 Plus Energy Ltd H Hydrogen production from a photosynthetically driven electrochemical device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101884512B1 (ko) 2016-03-04 2018-08-01 단국대학교 산학협력단 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
JP2018142541A (ja) 2017-02-28 2018-09-13 公立大学法人大阪府立大学 電気化学デバイスおよびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200097619A (ko) 2020-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101957023B1 (ko) 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법
Liao et al. Respective electrode potential characteristics of photocatalytic fuel cell with visible-light responsive photoanode and air-breathing cathode
CN106463750A (zh) 具有分散有碳粒子的钒电解质的氧‑钒氧化还原液流电池
CN106498408B (zh) 一种用于光生阴极保护的纳米复合膜光阳极的制备
Gu et al. A dual-biomimetic photocatalytic fuel cell for efficient electricity generation from degradation of refractory organic pollutants
Liu et al. Internalized carbon dots for enhanced extracellular electron transfer in the dark and light
CN102306802A (zh) 可见光响应的纳米管阵列燃料电池
US20110308962A1 (en) Bio-Energy Reactor
Guo et al. Heterogeneous bacteriorhodopsin/gold nanoparticle stacks as a photovoltaic system
CN104701561A (zh) 一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法
Anwer et al. Simultaneous reduction of carbon dioxide and energy harvesting using RGO-based SiO2-TiO2 nanocomposite for supercapacitor and microbial electrosynthesis
Rahman et al. A review on semiconductor photocathode in bioelectrochemical systems: Mechanism, limitation, and environmental application
McMichael et al. An investigation of photoelectrocatalytic disinfection of water using titania nanotube photoanodes with carbon cathodes and determination of the radicals produced
KR102154152B1 (ko) 유리비드 및 금속나노입자를 포함하는 미생물 연료전지용 전해액 및 이를 포함하는 미생물 연료전지
CN109368767A (zh) 生物电活化过硫酸盐降解偶氮染料废水的方法
CN111763954B (zh) 一种层片状wo3光阳极材料的制备方法及其在光电催化中的应用
KR102103364B1 (ko) TiO2/rGO 나노입자를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
CN110085877B (zh) 一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置及其制备方法和应用
KR101884512B1 (ko) 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
CN209537276U (zh) 一种光电催化微生物电解池装置
Kumar et al. Engineered nanomaterials for carbon capture and bioenergy production in microbial electrochemical technologies: A review
CN101905142A (zh) 二氧化钛纳米管阵列电极光电催化薄层反应器及其应用
KR101957024B1 (ko) 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 미생물 유기 반도체 및 이의 제조방법
Das et al. Passive fuel delivery and efficient anoxic condition in anode improve performance of methanol biofuel cell
KR102074177B1 (ko) 나노구조물 복합체를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant