KR20110115412A

KR20110115412A - 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질 및 이를 이용한 효소 기반 바이오 연료전지

Info

Publication number: KR20110115412A
Application number: KR1020100034902A
Authority: KR
Inventors: 심윤보
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-21

Abstract

본 발명은 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질 및 이를 이용한 효소 기반 바이오 연료전지에 관한 것으로, 상기 효소 기반 바이오 연료전지를 이용하면 종래 바이오 연료전지에 비해 10배 이상 높은 전력밀도를 지니며, 바이오 연료전지의 수명도 종래 바이오 연료전지에 비해 개선되어 4개월 이상 안정한 전력을 유지할 수 있다.

Description

효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질 및 이를 이용한 효소 기반 바이오 연료전지{electrocatalytic material for enzyme-based biofuel cell and enzyme-based biofuel cell using the same}

본 발명은 종래 바이오 연료전지에 비해 향상된 전력밀도과 수명을 지닌 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질 및 이를 이용한 효소 기반 바이오 연료전지에 관한 것이다.

최근, 바이오 연료전지와 같이 환경 친화적으로 효율적이며, 휴대가 가능한 에너지원에 대한 개발에 상당한 노력을 기울이고 있다. 이런 전지들을 개발하기 위해서는 안정한 전극 물질을 위한 연구가 필수적이며, 이를 충족하기 위하여 전자들을 기질에 이동시키는데 더 안정적이고 효율적인 살아있는 미생물 또는 효소의 연구가 주목을 받고 있다.

바이오 연료전지의 중요한 특징 중 하나는 바이오센서 및 바이오 전자기기와 같은 생체에 적합한 바이오소자로서 사용하기 위하여 에너지를 공급할 수 있는 포도당과 같은 탄수화물들이 사용될 수 있다는 점이다.

이러한 바이오 연료전지로는, 미생물 바이오 연료전지(Nat. Biotechnol. 21, 1229-1232, 2003; Biotechnol. Bioeng. 81, 348-355, 2003) 및 효소 기반 바이오 연료전지(Electrochem. Commun. 6, 237, 2004; Bioelectrochemistry 55, 21-23, 2002) 두 가지가 알려져 있다.

미생물 바이오 연료전지는 화학 에너지를 미생물의 촉매 반응을 통해 전기적 에너지로 바꾸는 소자로, 살아있는 세포가 연료의 산화를 촉매하며, 최대 5년과 같이 긴 수명을 지니는 장점이 있다.

반면, 효소 기반 바이오 연료전지는 연료 산화를 촉진하기 위하여 효소를 사용하였고 이때 바이오촉매와 바이오촉매성 전이 시스템의 관여가 필요하다. 효소 기반 바이오 연료전지는 미생물 연료전지보다 훨씬 더 높은 전력밀도를 나타내지만, 대부분 연료를 부분적으로 산화하고 제한된 수명, 일반적으로 7-10일의 짧은 수명을 지니는 문제가 있다.

최근, 상기 바이오 연료전지의 전력밀도는 i) 효소를 금속성 폴리머에 결합시킨 고정막의 사용, ii) 매개체 또는 보조인자의 도입, iii) 다층 효소의 제조로 획득한 바이오활성의 증가 등을 통해 상당히 개선되었다. 그러나, 상기 효소 반응에 관한 연료전지의 안정성을 향상시키기 위한 진보는 아직 미흡하다.

효소 기반 바이오 연료전지의 수명을 증가시키기 위하여, 바이오 연료전지를 제조하는데 있어서의 중요한 하나의 단계는 효소 또는 단백질을 고정화시키기 위한 안정한 전극 표면의 제조에 있다. 일반적인 고정화 방법은 지지체로서 자기-조립 단일막(self-assembled monolayer, SAM layer)을 사용하는데, 이는 상기 전극 표면 상에 SAM층을 형성하기 쉽기 때문이다. 그런데, 고정된 효소 또는 단백질의 활성 부위를 통해 생성된 전자들은 상기 전극 표면에 직접적으로 이동되기 때문에, SAM층의 두께는 보통 수 나노미터 또는 그 이하이다. 더 얇은 SAM층을 가질수록 발생된 전자들이 상기 전극 표면으로의 이동을 보다 용이하게 한다. 게다가, 산성 또는 알칼리성 매체에 있는 경우 및 큰 단백질 또는 효소를 포함하는 무거운 분자가 SAM층에 적용된 경우에 상기 SAM층의 안정도는 상당히 낮아진다. 결과적으로, 상기 표면 막의 물리적인 안정성이 향상되었지만, 이런 전극에서 짧은 효소 수명의 문제점이 야기된다. 따라서, 탐침 표면 상의 효소 및 단백질의 수명 및 효소활성의 향상이 필요하다.

이에, 본 발명자는 과산화수소를 전기촉매적으로 환원시키는 촉매 능력을 가진 철 복합 폴리머의 단량체 전구체를 합성하였고, 상기 단량체를 전극의 캐소드에서 전해중합시켜 얻어진 폴리머층으로 코팅한 후, 효소로 고정한 바이오 연료전지가 기존의 바이오 연료전지에 비해 높은 전력밀도과 긴 수명을 나타내는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명의 목적은 높은 전력밀도와 긴 수명을 지니는 바이오 연료전지를 제작할 수 있는 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질을 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 전기촉매물질을 이용한 효소 기반 바이오 연료전지를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폴리-5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산[폴리(TTCA)] 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민][폴리(FeTSED)] 간의 접합체[폴리(TTCA-FeTSED)]를 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질을 제공한다:

[화학식 1]

상기 식에서, n은 정수이다.

상기 접합체는 폴리-5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 및 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민]을 1:1의 몰비로 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 몰비를 벗어나 포함하면 전류 감소의 야기될 수 있다.

상기 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민][폴리(FeTSED)]은 하기 반응식 1에 의해 제조되는 Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민][FeTSED] 단량체를 전해중합하여 얻을 수 있다.

[반응식 1]

보다 상세하게는, FeTSED 단량체는 (i) -83℃, N₂ 분위기 하에서 테트라하이드로퓨란 중에 용해된 n-BuLi 및 트리메틸 보레이트를 BTT(1)와 반응시켜 TBB(2)를 얻고, (ii) NaHCO₃ 및 Pd(PPh₃)₄의 존재 하에서 톨루엔/물(5:1)의 환류 2상 용액에서 상기 TBB(2)를 5-브로모살리실알데히드와 Suzuki 커플링 반응시켜 FHPT(3)을 얻으며, (iii) 상기 FHPT(3)을 아세트산/에탄올(1:1)의 혼합 용액 중에 용해된 1,2-에틸렌디아민과 환류시켜 화합물 4를 얻으며, (iv) 상기 화합물 4를 CHCl₃ 중에 용해된 FeCl₃ㅇ6H₂O와 환류시켜 원하는 화합물 5의 FeTSED 단량체를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전기촉매물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지를 제공한다.

상기 효소 기반 바이오 연료전지는 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA) 및 Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 단량체(FeTSED)를 전해중합시켜 얻어진 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극에 호스래디시 퍼옥시데이즈(horseradish peroxidase)를 고정시킨 캐소드를 포함한다.

또한, 상기 효소 기반 바이오 연료전지는 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA)를 전해중합시켜 얻어진 폴리(TTCA)로 코팅된 전극에 글루코오스 옥시데이즈(glucose oxidase)를 고정시킨 애노드를 포함한다.

여기서, 상기 전해중합은 상기 단량체를 이용하여 Ag/AgCl 기준전위를 통해 1 V/s의 주사속도로 0 V에서 1.6 V까지 전위를 주사하는 것을 3회 반복하여 5 nm 내지 40 nm 크기의 입자로 된 상기 전도성 고분자가 중합된다.

또한, 본 발명은 전극을 세정하는 단계; 전극의 캐소드 상에서 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA) 및 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 단량체(FeTSED)를 전해중합 시키는 단계; 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극을 활성화 시키는 단계; 및 활성화된 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극에 호스래디시 퍼옥시데이즈를 고정시켜 캐소드를 준비하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지의 제조방법을 제공한다.

또한, 전극의 애노드 준비를 위하여, 전극의 애노드 상에서 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA)를 전해중합 시키는 단계; 폴리(TTCA)로 코팅된 전극을 활성화 시키는 단계; 및 활성화된 폴리(TTCA)로 코팅된 전극에 글루코오스 옥시데이즈를 고정시켜 애노드를 준비하는 단계를 캐소드 준비 단계 이후 또는 이전에 추가로 포함할 수 있다.

상기 활성화 단계는 1-에틸-3-(3-(디메틸아미노)-프로필) 카르보디이미드(1-ethyl-3(3-(dimethylamino)-propyl carbodiimide; EDC) 또는 (N-hydroxysuccinimide; NHS) 중 어느 하나의 활성화제를 사용하여 전도성 고분자의 카르복시기를 활성화한다.

본 발명에 따른 효소 기반 바이오 연료전지는 도 3과 같이 GOx-고정 애노드 및 HRP-고정 캐소드로 구성되며, 애노드 및 캐소드의 연료로서 각각 글루코오스 및 애노드에서 생성된 과산화수소를 이용하며, 상기 애노드는 폴리TTCA, 상기 캐소드는 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 헤테로 조성물을 사용한다.

바이오 촉매반응은 전극 표면에서 GOx에 의한 글루코오스 산화와 HRP에 의한 과산화수소의 환원과 관련된다. 전자는 이러한 효소들과 전극 기질의 표면 간에서 이동된다.

본 발명에 따르면, 애노드로 GOx/폴리TTCA/Au와 캐소드로 HRP/폴리TTCA/Au로 구성된 바이오 연료전지는 애노드 및 캐소드를 각각 폴리TTCA 또는 폴리(TTCA-FeTSED) 단독으로 이용한 호모조성물로 코팅된 바이오 연료전지보다 각각 96.6 및 14.3배 높은 전력밀도를 나타내며, 바이오 연료전지의 수명도 종래 바이오 연료전지에 비해 개선되어 4개월 이상 안정한 전력을 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 효소 기반 바이오 연료전지를 이용하면 종래 바이오 연료전지에 비해 10배 이상 높은 전력밀도를 지니며, 바이오 연료전지의 수명도 종래 바이오 연료전지에 비해 개선되어 4개월 이상 안정한 전력을 유지할 수 있다.

도 1에서 a 내지 c는 각각 TTCA, FeTSED 및 TTCA-FeTSED를 이용한 전해중합에 관한 CV를 나타낸 것이고,
도 1에서 d 내지 f는 각각 나전극, 폴리TTCA 및 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극에 관한 AFM 사진을 나타낸 것이고,
도 2는 전도성 폴리머-개질 전극에서 GOx 및 HRP의 전자 이동에 관한 CV를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 바이오 연료전지의 모식도를 나타낸 것이고,
도 4는 (a) 0.1M PBS(pH 7.0), 1.0mM 글루코오스를 함유한 PBS에서의 HRP/폴리(TTCA-FeTSED)/Au 전극에 관한 CV를 나타낸 것이고, 도 4의 삽입도는 β-글루코오스의 다양한 농도(0.0 내지 1.5mM)에서의 검량선을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 바이오 연료전지와 관련하여 (a) 바이오 연료전지의 전압, (b) 연료전지에 의해 발생된 전류, (c) 연료전지로부터 추출된 전력, (d) 다양한 외부 로드에서의 바이오 연료전지의 전력밀도를 나타낸 것이다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산(TTCA) 합성

TTCA는 이전에 알려진 방법(Synth. Met., 126, 105, 2002)에 따라 합성하였다. 즉, 3'-브로모-5,2':5',2"-터티오펜(BTT; 화합물 1)을 디메틸포름아마이드에 용해된 시안화 제1구리(CuCN)와 함께 환류시켜 3'-시아노-5,2':5',2"-터티오펜(CTT)을 얻었다.

<실시예 2> 3'-(4-포르밀-3-하이드록시-1-페닐)-5,2':5',2"-터티오펜(FHPT; 화합물 3) 합성

티오펜으로부터 준비된 화합물 1(3.27g, 10.0mmol)의 진공 디에틸 에테르 용액(15mL)을 -83℃에서 N₂ 분위기 하에서 테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA; 1.8mL, 12.0mmol)과 1.6M n-BuLi(7.5mL, 12.0mmol)과 서서히 반응시켰다. 반응 혼합물을 -83℃에서 1시간 동안 교반하였고, 디에테르 에테르(30mL)에 희석된 트리메틸 보레이트(2.2mL, 20.0mmol)을 첨가하였다. 반응 혼합물을 실온으로 유기시키고 4시간 동안 교반한 후, 2.0M HCl(20mL)을 첨가하였다. 1.5시간 동안의 교반 후, 조 5,2':5',2"-터티오펜-3'-보론산(TTB; 화합물 2)을 백색 고체 형태로 침전시켰다. 이러한 침전물을 물로 세척하고 감압 하에서 건조하였다. 조 TTB, NaHCO₃(8.4g), 5-브로모살리실알데히드(2.2g, 12.0mmol) 및 Pd(PPh₃)₄(116mg, 1mol)을 톨루엔/물(5:1)의 2상 용액(60mL)에서 결합시켰다. 반응 혼합물을 2시간 동안 환류시킨 후, 실온으로 냉각시키고 CH₂Cl₂로 추출하였다. 반응 용매는 무수 황산마그네슘으로 건조시키고 감압 하에서 제거하였다. 잔사를 n-헥산/에틸 아세테이트(100:1)로 용출된 실리카겔 상에서 정제하여 노란 침상 형태의 1.97g(53%) FHPT를 얻었다.

Mp: 93℃; IR (KBr): 2500-3500 (br), 1657cm^-1; ¹H NMR (CDCl₃): 6.93-7.56 (m, 10H, Ar), 9.82 (s,1H, CHO), 11.04 (br, s, 1H, OH); ¹³C NMR (CDCl₃): 117.9, 120.6, 124.1, 124.9, 126.1, 126.4, 126.7, 127.4, 127.9, 128.0, 130.7, 134.3, 135.2, 135.9, 136.6, 137.5, 138.0, 161.2, 196.4; MS: m/z (relative intensity) 368 (M⁺, 100); HRMS: Calculated for C₁₉H₁₂O₂S₃: 367.9999, Found: 368.0003.

<실시예 3> N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민(화합물 4) 합성

에탄올-아세트산(1:1, v/v; 30mL)에 용해된 출발물질인 화합물 3(1.85g, 5.00mmol)에 1,2-에틸렌디아민(0.14g, 2.4mmol, 0.5 당량)을 실온에서 지속적인 교반을 하면서 첨가하였다. 30분 후, 얻어진 노란 고체를 여과하여 에탄올로 세척하였고, 진공 하에서 건조하여 1.48mg의 산물(78% 수득율)을 얻었다.

Mp: 272℃; IR (KBr): 2500-3500 (br), 1631cm^-1; ¹H NMR (CDCl₃): 3.88 (s, 4H, CH₂), 6.93-7.56 (m, 20H, Ar), 8.53 (s, 2H, NCH), 13.49 (br, s, 2H, OH); ¹³C NMR (CDCl₃): 58.8, 117.3, 124.9, 125.7, 126.3, 127.0, 127.3, 127.4, 127.9, 128.8, 132.6, 135.0, 136.0, 139.0, 161.1, 167.1; HRMS (FAB): Calculated for C₂₀H₂₈O₂S₆N₂: 760.0475, Found: 760.0468.

<실시예 4> Fe(III)[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민](화합물 5) 합성

50mL의 염화메틸렌에 용해된 화합물 4의 용액(0.5g, 0.66mmol)에 15mL의 에탄올에 용해된 FeCl₃ㅇ6H₂O(0.28g, 1.04mmol)을 첨가하였다. 반응 혼합물을 1시간 동안 환류시켜 붉은 색의 침전물을 얻었다. 이러한 침전물을 여과하고 에탄올로 세척한 후 진공 하에서 건조하여 0.42g의 산물(62% 수득율)을 얻었다.

IR (KBr): 3100, 2943, and 1617cm^-1; MS m/z 814 (M⁺); HRMS: Calculated for C₄₀H₂₆N₂FeO₂S₆: 813.9665, Found: 814.0021.

<실시예 5> 효소 고정

Au 디스크 전극(면적: 0.196cm²)을 1.0, 0.5 및 0.05㎛ 알루미나 슬러리로 닦고, 물로 세정하고 증류수에서 10분 동안 초음파 처리하였고, 0.1M H₂SO₄ 용액에서 전기화학적으로 예비세정 하였다. 전기화학적으로 형성된 폴리TTCA- 및 폴리(TTCA-FeTSED)-코팅 전극을 실온에서 20시간 동안 10.0mM EDC/CH₂Cl₂ 중에 담구었다. 이렇게 형성된 폴리머 전극을 CH₂Cl₂으로 충분히 세정하였고, 10.0mM 인산 완충액 용액(PBS)(pH 7.0)에서 사용되었다. 5.0mM PBS(pH 7.0)을 함유하는 1.0mM EDC에 상기 폴리TTCA- 및 폴리(TTCA-FeTSED)-코팅 전극을 잠기게 하여 GOx 및 HRP을 각각 4.0mg/mL의 농도로 고정시켰다. 접합된 폴리머-코팅 전극을 실온에서 4시간 동안 그후, 4℃에서 72시간 동안 효소 함유 용액에서 유지하였다.

<실시예 6> 전기촉매물질의 물성 평가

1) 순환 전압전류(CV) 평가

앞서 실시예에서 제조한 (a) TTCA, (b) FeTSED 및 (c)TTCA과 FeTSED의 접합체(1:1 몰비)를 이용하여 전해중합에 대한 순환 전압전류(cyclic voltammetry, CV)를 측정하였다. 이때, 상기 단량체들은 0.1M TBAP/CH₂Cl₂에 용해되어 이용되었고, -0.5V 및 +1.5V(vs. Ag/AgCl) 사이의 전위주기와 50.0mV/s의 주사속도로 평가되었다.

그 결과, 도 1의 a 내지 c와 같이, 각 단량체들의 애노드 피크는 CV에서 TTCA에서 1.3V, FeTSED에서 1.1V, 그리고 TTCA-FeTSED에서 1.1V와 1.3V를 나타내었다. 또, 캐소드 스캔에서는 0.7-1.0V에서 나타난 2개의 폭넓은 환원피크가 관찰되었으나, 이러한 패턴은 각각 상이하게 나타났다. 도 1의 b와 c에 도시된 바와 같이, 중합 시 FeTSED 용액에 관해 기록된 CV는 Fe 이온 피크가 -0.22V 및 -0.37V에서 관찰되었다.

2) 원자힘현미경(AFM) 평가

앞서 실시예에서 제조된 효소-개질 전극 상에서 성장한 각 폴리머층의 표면 형상을 원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM)을 이용하여 평가하였다.

도 1의 d 내지 f에 (d) 나전극, (e) 폴리TTCA 코팅 전극, (f) 폴리(TTCA-FeTSED) 코팅 전극의 AFM 결과를 나타내었고, 각 폴리머의 입자크기가 유의성 있게 상이한 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 폴리TTCA의 입자크기는 70.0±5.0nm, 폴리(TTCA-FeTSED)의 입자크기는 15.0±2.0nm으로 나타났다. 이러한 결과로부터 폴리머 성장 시 핵화 속도는 TTCA 단독으로 중합 시보다 TTCA와 FeTSED를 함께 중합할 경우 우수하였다.

3) 수정진동자 마이크로밸런스(QCM) 평가

상기 접합 폴리머층과 공유 결합된 효소의 양을 수정진동자 마이크로밸런스(a quartz crystal microbalance, QCM)로 평가하였다.

그 결과, 폴리TTCA에 대한 GOx의 고정은 실온에서 3.5 시간 이내에 완료되었다. 3.5 시간 후 진동수 변화(△f)는 586Hz, 질량 변화(△m)는 644±22.0 ng(2.15×10^-11 mol/cm)로 분석되었다. 또, 4.0 시간 후 고정된 HRP의 △f는 약 351Hz, HRP의 양은 386.5±19.0 ng(4.92×10^-11 mol/cm)로 분석되었다.

<실시예 7> 바이오 연료전지 제작 및 성능 평가

바이오 연료전지는 GOx- 및 HRP-고정 접합 폴리머 전극을 각각 애노드 및 캐소드 시스템으로 사용하여 구성되며, 개방전압에서 작동되었다. 바이오 연료전지는 1.0mM 글루코오스와 애노드에서 생성된 H₂O₂를 각각 애노드 및 캐소드 연료로서 사용하였다. 기질을 Master Flex Model(Cole-Parmer Instrument Co.)을 이용하여 연료전지의 관련 구획에 0.6mL/min으로 주입하였다. 바이오 연료전지에 의해 생성된 전압 및 전류의 출력을 배터리 사이클러를 이용하여 측정하였다. 바이오 연료전지의 성능은 개방 전류에서 얻어진 전류 곡선을 이용하여 평가하였다. 모든 데이터는 15.0psi의 대기압에서 얻어졌다.

도 2는 0.1M PBS(pH 7.0), 50.0mV/s의 주사속도에서 전도성 폴리머 개질 전극에 고정된 GOx 및 HRP의 직접 전자 전달계 (Direct Electron Tranfer, DET)에 의해 생성되는 환원 피크를 나타내었다.

그리고, 상기 바이오 연료전지는 도 3과 같이 GOx-고정 애노드 및 HRP-고정 캐소드로 구성되며, 애노드 및 캐소드의 연로로서 각각 글루코오스 및 애노드에서 생성된 과산화수소를 이용하였고, 바이오 촉매반응은 전극 표면에서 GOx에 의한 글루코오스 산화와 HRP에 의한 과산화수소의 환원과 관련되며, 전자는 이러한 효소들과 전극 기질의 표면 간에서 이동되었다.

효소 반응을 통한 과산화수소 생성을 확인하기 위하여, GOx/폴리TTCA/Au 전극으로부터 생성된 과산화수소가 HRP/폴리(TTCA-FeTSED)/Au 전극에 의해 환원되는지를 검토한 결과, 도 4와 같이 과산화수소의 명확한 환원 피크가 -0.38V에서 관찰되었다.

또한, 1.0mM 글루코오스 및 GOx에 의해 애노드에서 생성된 과산화수소를 이용하여 바이오 연료전지의 성능을 평가한 결과, 도 5의 a는 연료전지 전압과 외부 로드 간의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 외부 로드 증가에 따라 연료전지 전압이 증가하였고, 1000.0kΩ에서 366.0mV의 최대값을 나타내었다. 또, 도 5의 b에서는 다양한 외부 로드에서 연료전지의 전류변화를 나타낸 것으로, 외부 로드가 1000.0kΩ까지 증가함에 따라 상당한 전류 변화를 나타내었고, 연료전지에 의해 생성된 전류는 합선에서 12.1μA로 나타났다. 도 5의 c는 전력과 외부 부담 간의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 25.0kΩ에서 최대 전력이 1.0μA로 나타났다. 도 5의 d에 따르면 연료전지에서 생성된 전력밀도가 61.6μA/cm²(전극 면적 0.196cm²)이며, 25.0kΩ의 최적 외부 로드에서 최대 전력밀도가 5.12μW/cm²이었다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오 연료전지는 동일 효소 조성물을 이용하여 보고된 종래 바이오 연료전지(Bioelectrochemistry 56, 99-105, 2002)에 비해 34배 높은 전력 밀도를 나타내었다.

또한, 본 발명에 따른 바이오 연료전지의 수명을 최대 전력 조건 하에서 측정하였다. 이때, 실온에서 하루 3시간 동안 연속적으로 측정한 후, 4℃에서 전극을 건조하여 보관하였다. 그 결과, 안정한 전력이 약 한달동안 유지되었고, 전력이 점차 감소되었다. 전력의 30% 감소가 약 4개월 후에 발생하였다. 이러한 전력 밀도의 감소는 감소된 효소 활성에 기인한 것이다.

애노드로 GOx/폴리TTCA/Au와 캐소드로 HRP/폴리TTCA/Au로 구성된 바이오 연료전지는 0.053μW/cm²의 전력 밀도, 21.0mV의 셀 전압 및 1.3μA/cm²의 전류 밀도를 나타내었다. 애노드로 GOx/폴리(TTCA-FeTSED)/Au와 캐소드로 HRP/폴리(TTCA-FeTSED)/Au로 구성된 바이오 연료전지는 0.358μW/cm²의 전력 밀도, 75.0mV의 셀 전압 및 8.2μA/cm²의 전류 밀도를 나타내었다. 한편, 애노드로 GOx/폴리TTCA/Au와 캐소드로 HRP/폴리(TTCA-FeTSED)/Au로 구성된 바이오 연료전지는 5.12μW/cm²의 전력 밀도, 366.0mV의 셀 전압 및 61.6μA/cm²의 전류 밀도를 나타내었다.

따라서, 캐소드 코팅에 폴리(TTCA-FeTSED)를 이용한 바이오 연료전지는 폴리TTCA 또는 폴리(TTCA-FeTSED)를 이용한 호모조성물로 코팅된 바이오 연료전지보다 각각 96.6 및 14.3배 높은 전력밀도를 나타내었다.

Claims

폴리-5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 및 하기 화학식 1로 표시되는 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 간의 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질:
[화학식 1]

상기 식에서, n은 정수임.
청구항 1에 있어서, 상기 접합체는 폴리-5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 및 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민]을 1:1의 몰비로 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질.
청구항 2에 있어서, 상기 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민]은 하기 반응식 1에 의해 제조되는 Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 단량체를 전해중합하여 얻은 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지용 전기촉매물질:
[반응식 1]
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 전기촉매물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지.
청구항 4에 있어서, 상기 효소 기반 바이오 연료전지는 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA) 및 Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 단량체(FeTSED)를 전해중합시켜 얻어진 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극에 호스래디시 퍼옥시데이즈(horseradish peroxidase)를 고정시킨 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지.
전극을 세정하는 단계;
전극의 캐소드 상에서 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA) 및 폴리-Fe(III)-[N,N'-비스[4-(5,2':5',2"-터티엔-3'-일)살리실리덴]-1,2-에탄디아민] 단량체(FeTSED)를 전해중합 시키는 단계;
폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극을 활성화 시키는 단계; 및
활성화된 폴리(TTCA-FeTSED)로 코팅된 전극에 호스래디시 퍼옥시데이즈를 고정시켜 캐소드를 준비하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
전극의 애노드 상에서 5,2':5',2"-터티오펜-3'-카르복실산 단량체(TTCA)를 전해중합 시키는 단계;
폴리(TTCA)로 코팅된 전극을 활성화 시키는 단계; 및
활성화된 폴리(TTCA)로 코팅된 전극에 글루코오스 옥시데이즈를 고정시켜 애노드를 준비하는 단계를 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 효소 기반 바이오 연료전지의 제조방법.