KR20170142124A - 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170142124A
KR20170142124A KR1020170076765A KR20170076765A KR20170142124A KR 20170142124 A KR20170142124 A KR 20170142124A KR 1020170076765 A KR1020170076765 A KR 1020170076765A KR 20170076765 A KR20170076765 A KR 20170076765A KR 20170142124 A KR20170142124 A KR 20170142124A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogel
electrode
carbon nanotubes
cells
electrolyte layer
Prior art date
Application number
KR1020170076765A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101957023B1 (ko
Inventor
송영석
임은주
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 KR20170142124A publication Critical patent/KR20170142124A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101957023B1 publication Critical patent/KR101957023B1/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
    • H01M8/16—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
    • Y02E60/527—
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은, 산화전극; 이온교환막; 및 환원전극을 포함하고, 상기 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는, 미생물 연료전지에 관한 것으로, 세포로부터 전자를 포집하는 효율을 높이고 세포의 생존률을 향상시킴으로써, 장기간 사용할 수 있고 고효율을 갖는 미생물 연료전지에 관한 것이다.

Description

그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법 {PHOTOSYNTHETIC CELL BASED ON GRAPHENE AND CABON NANOTUBE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광합성 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 전해질층을 포함하는 광합성 전지에 관한 것이다.
현재 우리가 주로 사용하는 화석연료는 이산화탄소를 발생시키며, 지구온난화를 가속화한다는 환경적인 문제점이 있기 때문에, 이러한 화석연료를 대체하기 위하여 다양한 에너지원들이 연구되고 있다. 이 중에서도 특히 태양전지와 같이 태양에너지를 전기에너지로 변환하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 태양에너지는 지구에서 무한에 가깝게 활용할 수 있는 에너지원이지만, 이를 전기에너지로 변환함에 있어서 아직까지는 효율이나 비용 측면에서 미흡한 점이 많아 널리 실용화되지는 못하고 있다.
한편, 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 전자를 이용하는 미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 미생물의 에너지 대사에서 발생하는 전자를 이용하는 것으로서, 미생물이 유기물을 분해하여 ATP를 생산해 내는 과정 중 전자와 수소양이온(proton)이 발생하게 되는 점을 이용한다. 미생물로부터 발생된 전자는 미생물 연료전지의 산화전극(anode)으로 전달되고, 미생물로부터 발생한 수소양이온은 미생물 연료전지의 이온(ion)을 격리하는 반투과성 물질을 통과하여 환원전극으로 확산된다. 확산된 수소양이온은 최종적으로 환원전극에 존재하는 전자, 용해되어 있는 산소와 반응하여 물로 환원되고, 이 과정에서 발생하는 전자의 흐름은 환원전극과 산화전극 사이에 전위차(potential)가 형성되도록 하여 전기를 생산하는 것이다.
종래, 미생물 연료전지에 대한 기술은 대한민국 출원번호 제10-2013-0048692 호 "미생물 연료전지 및 그 제조 방법" 외에 다수 출원되어 공개된 바 있다. 하지만, 대부분의 미생물 연료전지의 경우 전력 생산효율이 크게 높지 않고, 미생물의 생존 기간을 고려할 때 장기간 유지되기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 태양에너지를 사용하는 광합성 미생물을 이용하여, 보다 좋은 효율로 전기를 생산함과 동시에 미생물의 생존율을 향상시킴으로써 영구적으로 사용될 수 있는 미생물 전지의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은, 산화전극; 전해질층; 이온교환막; 및 환원전극;을 포함하고, 상기 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 것인, 광합성 전지를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면은, 산화전극; 전해질층; 이온교환막; 및 환원전극;을 포함하고, 상기 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 것인, 광합성 전지를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화전극은, 그래핀 전극이거나, 또는 그래핀 막을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤 중 탄소나노튜브의 함량은 0.01 내지 1 중량 %일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포는, 남조류 또는 녹조류일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포는, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus), 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver) 및 해캄 (spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포가 녹조류인 경우, 상기 하이드로젤은 벤조퀴논을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 탄소나노튜브를 포함하는 하이드로젤을 제조하는 단계; 상기 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 전해질층을 제조하는 단계; 및 상기 전해질층, 산화전극, 이온교환막 및 환원전극을 조립하는 단계;를 포함하는, 광합성 전지 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤 중 탄소나노튜브의 함량은 0.01 내지 1 중량 %인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포는, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus), 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver) 및 해캄 (spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 광합성 전지는, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 전해질층을 포함함으로써, 조류세포의 생존률을 높이는 동시에 조류세포 막의 전자를 보다 효율적으로 포집할 수 있으므로, 장기간 사용할 수 있는 고효율의 광합성 전지를 구현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 전지의 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브가 분산된 용액의 분산 정도를 나타내는 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브가 분산된 용액의 120시간 후 분산 정도를 나타내는 사진이다.
도 4는, UV-Vis 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 5는, 시네초코커스 조류세포를 광학현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 6은, 탄소나노튜브가 분산된 조류세포를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 전지를 촬영한 이미지(A) 및 이의 제작 과정을 나타낸 것(B)이다.
도 8은, 하이드로젤 내 탄소나노튜브가 포함되지 않은 전지의 전류를 나타낸 것이다.
도 9는, 하이드로젤 내 탄소나노튜브가 포함된 전지의 전류를 나타낸 것이다.
도 10은, 일실시예에 따른 미생물 유기 반도체의 전류-전압을 나타낸 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 제1 측면은, 산화전극; 전해질층; 이온교환막; 및 환원전극을 포함하고, 상기 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 것인, 광합성 전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 연료전지의 모식도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 광합성 전지는, 산화전극, 전해질층, 이온교환막 및 환원전극을 포함하고, 전해질층은 하이드로젤 및 조류세포를 포함한다. 산화전극, 이온교환막, 및 환원전극이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 본 발명의 일 실시예에 다라 이온교환막과 환원전극 사이에 촉매층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 광합성 전지의 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함한다.
탄소나노튜브(CNT)는 수 ㎚의 직경을 가진 길고 가느다란 튜브 모양의 구조를 갖는 탄소로 이루어진 물질로서, 단일벽 나노튜브(Single walled Nanotube)와 다중벽 나노튜브(Multiwall Nanotube)로 구분될 수 있다. 단일벽 나노튜브는 하나의 벽으로만 구성되어 있으며, 다중벽 나노튜브는 여러 개의 벽으로 구성되어 있다. 단일벽 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브보다 유연해서, 여러 개가 로프로 뭉치는 경향이 있다. 이것을 다발형 탄소나노튜브(Nanotube Rope)라고 한다. 탄소나노튜브는 기계적인 강도가 크고, 표면적이 넓으며 전기전도도가 우수할 뿐만 아니라 화학적으로도 안정하기 때문에 전자를 전극에 효과적으로 전달하는 매개체로써 이용될 수 있다.
본 발명의 전해질층은 탄소나노튜브(CNT)를 분산 혼합된 하이드로젤을 포함함으로써, 조류세포로부터 방출되는 전자를 효율적으로 포집할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명에서 사용될 수 있는 탄소나노튜브(CNT)는 단일벽, 다중벽 또는 다발형의 모든 계열의 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 탄소나노튜브(CNT)는 다양한 삽입제(Intercalant)로 개질된 것일 수 있으며, 1㎚ 내지 100㎛ 의 길이를 갖는 것 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 일 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤 중 탄소나노튜브의 함량은 0.01 내지 1 중량 %일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 함량이 하이드로젤에 대하여 0.01 중량% 미만이 되면 충분한 전기 전도성을 기대하기 어렵고 전극의 전기적 극성과 전자 방출의 특성이 미흡하게 되며, 1 중량%를 초과하면 전극용 조성물의 분산성 및 결합성을 저하시킬 수 있다. 하이드로젤 내에서 탄소나노튜브는 세포와 세포 사이에 잘 분산되어 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용된 용어 '하이드로겔(hydrogel)'은 아쿠아겔이라고도 불리우는 3차원 네트워크 구조가 형성된 친수성의 겔을 의미하며, 수분 함량 때문에 천연 조직과 거의 유사한 탄성을 나타낸다. 본 발명에서 포함될 수 있는 하이드로겔은 세포의 생존 환경을 제공할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대, pH, 온도 또는 대사물질 농도를 감지하는 스마트 겔(Smart Gel), 실리콘 하이드로겔, 폴리아크릴아마이드 하이드로겔, 아가로스 하이드로겔, 메틸셀룰로오스 하이드로겔, 폴리비닐 알코올 하이드로겔, 소듐 폴리아크릴레이트 하이드로겔, 아크릴레이트 하이드로겔, 콘드로이틴 하이드로겔, 글루코사민 하이드로겔, 글리코사미노글리칸 하이드로겔, 피브린 하이드로겔, 피브리노겐 하이드로겔, 트롬빈 하이드로겔, 히알루론산 하이드로겔 및 콜라겐 하이드로겔 등이 사용될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용된 용어 '조류(藻類, algae)세포'는 물에 살면서 식물처럼 광합성을 하는 생물을 포괄적으로 지칭하는 것으로, 녹조류(Chlorophyte), 갈조류(Phaeophyceae), 홍조류(Rhodophyte), 남조류(Cyanophyta), 규조류(Bacillariophycea), 와편모조류 (Dinophyta) 또는 착편모조류 (Haptophyta)를 포함한다. 이 중에서, 남조류 (cyanobacteria)는, 남조식물, 남조세균이라고도 불리는 것으로, 원시 광합성 생물에 속하며, 단세포로 살아가는 종류, 단세포들이 모여 군체를 이루는 종류, 다세포로 된 사상체인 종류 등 다양한 종이 이에 속할 수 있으며, 예를 들면, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus) 등을 포함한다. 여러 가지 점에서 남조류는 세균과 고등식물의 중간에 위치하고 있고, 고등식물과는 달리 세균처럼 원핵세포로 되어 있으나, 영양섭취라는 면에서는 녹색식물과 유사하다. 녹조류 (green algae)는 원생생물 중 녹색의 조류를 통틀어 이르는 말로, 이 또한 단세포, 다세포, 비세포성 다핵체 등 여러 가지가 있으며, 대부분은 민물에 살지만, 일부는 해수에서 생활하며, 엽록소 a와 b, 카로틴 및 크산토필 등의 광합성 색소를 포함한다. 녹조류에는, 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver), 해캄 (spirogyra) 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 전해질층에 포함될 수 있는 조류세포는 남조류 또는 녹조류일 수 있다. 강, 바다에서 흔히 발견되는 남조류 또는 녹조류는 번식력이 강하며 광합성을 통하여 전자를 생성할 수 있어, 이들로부터 전자를 포집할 수 있다는 특징을 갖고 있어 광합성 전지에 사용되기에 적합하다. 특히 남조류의 경우, 전자가 존재하는 위치가 세포 외부 쪽에 존재하여, 전자를 포집하기에 더욱 용이할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포는, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus), 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver) 및 해캄 (spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 조류세포가 녹조류인 경우, 상기 하이드로젤은 벤조퀴논을 더 포함할 수 있다. 녹조류를 사용하는 경우, 세포 내 전자를 포집하기 위한 매개체로서 하이드로젤 내 벤조퀴논을 포함하는 것이 바람직하다. 녹조류는 전자가 세포 내부에 존재하므로 전자를 포집할 수 있는 전자 매개체가 사용될 수 있으며, 이 경우 벤조퀴논은 세포 내 엽록체에 존재하는 전자를 포집하여 산화전극으로 전자를 전달하는 전자 매개체로서의 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에서 사용될 수 있는 산화전극은, 그래핀 전극이거나, 또는 그래핀 막을 포함하는 전극일 수 있다. 그래핀 막 자체가 산화전극으로의 역할을 수행할 수 있으며, 또는, 산화전극의 표면을 그래핀으로 코팅하여, 그래핀 막을 포함하는 산화전극이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 광합성 전지에서, 산화전극과 환원전극을 분리하는 이온교환막은 이온전도성 고분자 전해질막으로서, 전극 사이에서 수소이온을 전달하는 역할을 수행한다. 이온교환막은 수소이온의 전도도가 높고, 반응가스 투과도가 낮으며, 열화학적 안정성이 높은 것이 바람직하며, 보다 구체적으로 부직포, 솜, 마이크로여과막, 나피온 (Nafion) 또는 글래스 울(glass wool)이 사용될 수 있으며, 상업적으로 이용가능한 Nafion 117, AMX, ACS (Neosepta), AMI-7001 (Ultrex™), MA-40 (PO Stchekino), Gore-select(Gore) 또는 Aciplex&Flemion(Asahi) 등과 같은 이온 교환막 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 환원전극과 이온교환막 사이에는 촉매층을 더 포함할 수 있으며, 본 발명에서 사용될 수 있는 촉매층을 구성하는 물질의 예시로는, 주석, 납, 구리, 수은, 은, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 등이 있다. 환원전극, 촉매층 및 이온교환막은 순차적으로 결합하여, 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly)를 구성할 수 있다.
본 발명의 광합성 전지의 구동 원리는 다음과 같다.
광합성 미생물로부터 광합성 과정 중에 생성되는 전자는, 세포 사이에 분산된 탄소나노튜브를 통하여 그래핀 막으로 포집되어 전지의 산화전극(anode)으로 전달되고, 미생물로부터 발생한 수소양이온은 미생물 연료전지의 이온(ion)을 격리하는 반투과성 물질을 통과하여 환원전극으로 확산된다. 확산된 수소양이온은 최종적으로 환원전극에 존재하는 전자, 용해되어 있는 산소와 반응하여 물로 환원되고, 이 과정에서 발생하는 전자의 흐름은 환원전극과 산화전극 사이에 전위차(potential)가 형성되어, 최종적으로 전기가 생산될 수 있다.
본 발명의 광합성 전지는, 전기 전도도가 우수하여 전자를 효과적으로 전달하는 매개체로써 역할을 수행하는 탄소나노튜브가 잘 분산된 하이드로젤을 포함하며, 광합성 미생물을 상기 하이드로젤 내에서 배양한다. 본 발명의 광합성 전지는, 하이드로젤 내 분산된 탄소나노튜브를 이용하여 광합성 미생물로부터 보다 효율적으로 전자를 포집하여 전극으로 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 광합성 전지는, 전기 전도성이 보다 높은 그래핀 막을, 산화전극으로 사용하거나 산화전극의 코팅 막으로 포함함으로써, 미생물의 세포 벽으로부터 전자를 보다 효율적으로 포집할 수 있으며, 이는 저항이 낮은 곳으로 전류의 흐름이 형성된다는 특징을 이용한 것이다.
본 발명의 제2 측면은, 탄소나노튜브를 포함하는 하이드로젤을 제조하는 단계; 상기 하이드로젤, 및 조류세포를 포함하는 전해질층을 제조하는 단계; 및 상기 전해질층, 산화전극, 이온교환막 및 환원전극을 조립하는 단계;를 포함하는, 광합성 전지 제조방법을 제공한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기술된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1: 탄소나노튜브의 분산>
용매에 따른 탄소나노튜브의 분산 정도를 비교 측정하기 위하여, 다양한 용매를 준비한 후 각각에 탄소나노튜브를 0.05 wt% 넣고 흔들어서 분산도를 측정하였다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브가 분산된 용액의 분산 정도를 나타내는 사진이다.
도 2를 참고하면, IPA, ODCB, NMP 및 DMF의 각각의 용매에 0.05wt%의 조건으로 탄소나노튜브를 분산시킨 경우, 가장 분산도가 낮은 것은 IPA였고, 분산도가 가장 좋은 것은 ODCB 용매를 사용한 경우였다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브가 분산된 용액의 120시간 후 분산 정도를 나타내는 사진이다.
도 3를 참고하면, ODCB 용매에 0.1, 0.05 및 0.01 wt%의 조건으로 탄소나노튜브를 분산시킨 모든 경우에서, 최초 분산 후 120시간이 지나도 별다른 차이 없이 분산된 상태가 계속 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 2: UV- Vis 흡수도 측정>
동일한 부피의 물과 탄소나노튜브 0.01 중량 %를 포함하는 물을 준비한 후에, 자외선-가시광선 흡수도를 측정하였다.
도 4는, UV-Vis 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참고하면, 탄소나노튜브 0.01 중량 %를 포함하는 경우, 흡수도가 월등하게 높았으며, 특히 200 내지 300 nm (주로 자외선 영역)에서의 흡수도가 높았다.
<실시예 3: 광합성 전지의 제조>
1) 카본매쉬/Pt/네피온 제작
5 cm x 5 cm 크기의 카본 매쉬(carbon mash), 나피온 117 (Nafion 117), 얇은 막 형태의 납 (Pt)를 가열 압착기를 이용하여 20 MPa로 압착하였으며, 카본매쉬/Pt/나피온 순으로 접촉하도록 하였다.
2) 하이드로젤 제조
증류수에 Polyethylene (glycol) Diacrylate (PEGDA, 시그마 알드리치 구매)를 1wt에서 10wt% 범위로 용해시켜 PEGDA용액을 만들었다. PEGDA 용액에 탄소나노튜브 분말 (CNT, 한화케미컬 구매)를 0.1 내지 1 wt% 범위에서 CNT 분산 용액을 제조하였다. 시네초코커스 (Synechococcus) 남조류 세포를 한달 정도 Blue Green Medium (BG11) 배양액에서 성장시킨 후 UV 램프로 3회 정도 조사하여 경화시켰다. 도 5는 상기 시네초코커스 남조류 세포를 촬영한 광학현미경 이미지이고, 도 6은 탄소나노튜브가 분산된 시네초코커스 남조류 세포를 촬영한 SEM 이미지이다.
3) 그래핀/Pt제작
5 cm x 5 cm 크기의 그래핀 막과 납 (Pt)를 가열 압착기를 이용하여 20 MPa로 압착하였으며, 그래핀/Pt 막을 제조 하였다.
4) 전지의 조립
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광합성 전지의 모식도 이고, 도 5는 상기 광합성 전지의 측면도 및 이의 제작 과정을 나타낸 것이다. 도 1 및 도 5에 도시된 것과 같이 카본메쉬/Pt/네피온 위에, 하이드로겔을 배치하고, 그 위에 그래핀 막/Pt을 배치하여 전지를 제작하였다. 상기 전지는 산소 및 수분노출 조정을 위한 패킹 기술 적용 미생물 기반 에너지 소자에 적합하도록 1~2㎜의 두께 및 2x2㎝의 규격으로 제작되었다.
<실시예 4: 전류 측정>
본 발명에 따른 광합성 전지를 제조한 후, 전류를 측정하였다.
도 8은, 하이드로젤 내 탄소나노튜브가 포함되지 않은 전지의 전류를 나타낸 것이며, 도 9는, 하이드로젤 내 탄소나노튜브가 포함된 전지의 전류를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 탄소나노튜브가 포함된 하이드로젤을 포함하는 전지의 경우, 최대 전류에 도달하는 시간이 짧고 최대 전류값 또한 높으며, 암반응에서 광반응으로 바뀌더라도 빠르게 전류 값이 상승하였다.
<실시예 5: 전류-전압 측정>
본 발명에 따른 광합성 전지의 전극과 전해질을 이용하여 반도체 소자를 제조하였다. 종래의 TIPS-pentacene을 포함하는 유기 반도체와, 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 유기 반도체로서, TIPS-pentacene에 탄소나노튜브를 분산하여 제조된 미생물 유기 반도체의 전류-전압을 측정하였다.
도 10은, 일실시예에 따른 미생물 유기 반도체의 전류-전압을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참고하면, 탄소나노튜브가 포함된 TIPS-pentacene의 반도체 소자의 경우, 전압에 따라 전류가 증가하는 것을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 산화전극; 전해질층; 이온교환막; 및 환원전극;을 포함하고,
    상기 전해질층은, 탄소나노튜브를 함유하는 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 것인, 광합성 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화전극은, 그래핀 전극이거나, 또는 그래핀 막을 포함하는 것인, 광합성 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로젤 중 탄소나노튜브의 함량은 0.01 내지 1 중량 %인 것인, 광합성 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조류세포는, 남조류 또는 녹조류인, 광합성 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조류세포는, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus), 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver) 및 해캄 (spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인, 광합성 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 조류세포가 녹조류인 경우,
    상기 하이드로젤은 벤조퀴논을 더 포함하는 것인 광합성 전지.
  7. 탄소나노튜브를 포함하는 하이드로젤을 제조하는 단계;
    상기 하이드로젤 및 조류세포를 포함하는 전해질층을 제조하는 단계; 및
    상기 전해질층, 산화전극, 이온교환막 및 환원전극을 조립하는 단계;를 포함하는, 광합성 전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산화전극은, 그래핀 전극이거나, 또는 그래핀 막을 포함하는 것인, 광합성 전지 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 하이드로젤 중 탄소나노튜브의 함량은 0.01 내지 1 중량 %인 것인, 광합성 전지 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 조류세포는, 아나베나 (Anabeana), 노스톡 (Nostoc), 마이크로콜러스 (Microcolous), 스키조트릭스 (Schizothrix), 시네초코커스 (Synechococcus), 클로렐라 (chlorella), 장구말 (desmid), 파래(green laver) 및 해캄 (spirogyra)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인, 광합성 전지 제조방법.
KR1020170076765A 2016-06-16 2017-06-16 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법 KR101957023B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20160075066 2016-06-16
KR1020160075066 2016-06-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170142124A true KR20170142124A (ko) 2017-12-27
KR101957023B1 KR101957023B1 (ko) 2019-03-12

Family

ID=60938905

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170076765A KR101957023B1 (ko) 2016-06-16 2017-06-16 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101957023B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102074177B1 (ko) 2018-08-01 2020-02-06 단국대학교 산학협력단 나노구조물 복합체를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200014500A (ko) 2018-08-01 2020-02-11 단국대학교 산학협력단 TiO2/rGO 나노입자를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200093904A (ko) 2019-01-29 2020-08-06 단국대학교 산학협력단 ZnO 나노로드 패턴이 결합된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200093905A (ko) * 2019-01-29 2020-08-06 단국대학교 산학협력단 나노입자가 분산된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
CN114175326A (zh) * 2019-07-30 2022-03-11 法国国家科研中心 离子交换膜
KR20220096779A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 플렉시블 광합성 흐름 전지
KR20220097169A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 미생물에너지 소자 및 그 제작 방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CL2022001603A1 (es) * 2022-06-15 2023-04-10 Univ Santiago Chile Biofotoánodo y biorreactor a base de algas pluricelulares.

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120119393A (ko) * 2011-04-21 2012-10-31 광주과학기술원 촉매 담지용 그래핀의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지
JP2015032536A (ja) * 2013-08-06 2015-02-16 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 微生物燃料電池および微生物燃料電池用電極

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120119393A (ko) * 2011-04-21 2012-10-31 광주과학기술원 촉매 담지용 그래핀의 제조방법 및 이를 이용한 연료전지
JP2015032536A (ja) * 2013-08-06 2015-02-16 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 微生物燃料電池および微生物燃料電池用電極

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xian-Wei Liu et al. Conductive Carbon Nanotube Hydrogel as a Bioanode for Enhanced Microbial Electrocatalysis. ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 2014, 6, pp.8158-8164 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102074177B1 (ko) 2018-08-01 2020-02-06 단국대학교 산학협력단 나노구조물 복합체를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200014500A (ko) 2018-08-01 2020-02-11 단국대학교 산학협력단 TiO2/rGO 나노입자를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200093904A (ko) 2019-01-29 2020-08-06 단국대학교 산학협력단 ZnO 나노로드 패턴이 결합된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR20200093905A (ko) * 2019-01-29 2020-08-06 단국대학교 산학협력단 나노입자가 분산된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
CN114175326A (zh) * 2019-07-30 2022-03-11 法国国家科研中心 离子交换膜
KR20220096779A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 플렉시블 광합성 흐름 전지
KR20220097169A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 미생물에너지 소자 및 그 제작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101957023B1 (ko) 2019-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101957023B1 (ko) 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 광합성 전지 및 이의 제조방법
Zhao et al. Hybrid conducting biofilm with built‐in bacteria for high‐performance microbial fuel cells
Biffinger et al. Diversifying biological fuel cell designs by use of nanoporous filters
JP5494996B2 (ja) 微生物燃料電池用電極及びそれを用いた微生物燃料電池
NL2000598C2 (nl) Inrichting en werkwijze voor het omzetten van lichtenergie in elektrische energie.
Roy et al. Microbial fuel cell construction features and application for sustainable wastewater treatment
Truong et al. In situ fabrication of electrically conducting bacterial cellulose-polyaniline-titanium-dioxide composites with the immobilization of Shewanella xiamenensis and its application as bioanode in microbial fuel cell
Hoa et al. Carbon-based nanomaterials in biomass-based fuel-fed fuel cells
CN104810530A (zh) 一种石墨烯-铂纳米粒子-聚吡咯复合材料的制备方法及其应用
Shlosberg et al. Harnessing photosynthesis to produce electricity using cyanobacteria, green algae, seaweeds and plants
KR102103364B1 (ko) TiO2/rGO 나노입자를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
Zhu et al. Biophotovoltaics: Recent advances and perspectives
Kumar et al. Insights into the role of Bioinspiration, Photosynthetic organisms, and Biomass-derived Electrodes/Membranes in the development of Bioelectrochemical Systems
Khan et al. Facial Synthesis, Stability, and Interaction of Ti3C2T x@ PC Composites for High-Performance Biocathode Microbial Electrosynthesis Systems
KR101957024B1 (ko) 그래핀 및 탄소나노튜브에 기반한 미생물 유기 반도체 및 이의 제조방법
Liu et al. 3D bioprinting of cyanobacteria for solar-driven bioelectricity generation in resource-limited environments
CN110528019A (zh) 一种便携式家用产h2o2溶液装置及方法
KR102074177B1 (ko) 나노구조물 복합체를 포함하는 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
Kumar et al. Engineered nanomaterials for carbon capture and bioenergy production in microbial electrochemical technologies: A review
KR101884512B1 (ko) 세포를 포함하는 전해액 조성물 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지
KR102187088B1 (ko) ZnO 나노로드 패턴이 결합된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
KR102608043B1 (ko) 투명 미생물에너지 소자 및 그 제작 방법
US20220209273A1 (en) Transparent microbial energy device and manufacturing method thereof
KR102154151B1 (ko) 나노입자가 분산된 광합성 미생물 연료전지 및 이의 제조방법
NDIVE Bio-electrochemical Treatment of Dye Contaminated Wastewater for Electricity Generation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant