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벤조퀴논 포집 폴리에틸렌이민-탄소나노튜브 지지체 기반 효소촉매의 바이오연료전지로서의 성능평가
Performance Evaluation of Biofuel cell using Benzoquinone Entrapped Polyethyleneimine-Carbon nanotube supporter Based Enzymatic Catalyst 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.2, 2017년, pp.258 - 263  

안연주 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) ,  정용진 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) ,  권용재 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원)

초록
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본 연구에서는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx), 고분자인 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI), 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 벤조퀴논(benzoquinone, BQ)을 이용하여 글루코스 바이오연료전지를 위한 바이오 촉매를 합성하였다. 이를 위해, 지지체인 PEI/CNT 복합체에 BQ를 정전기적 인력을 통해 물리적으로 포집한 뒤, GOx를 담지시켜 합성하였다. 이는 기존에 전자 매개체로서 전해질에 풀어서 사용했던 BQ를 전해질이 아닌 촉매 내에 포집하여 촉매를 구성하였다는 개선점이 크며, 그 결과, BQ가 포집되지 않은 촉매 대비, 1.9배 상승한 $34.16{\mu}A/cm^2$의 최대전류밀도를 얻음을 통해 촉매활성이 개선되었음을 증명하였고, 바이오연료전지의 산화극 촉매로 이용 시, BQ가 포집되지 않은 촉매를 이용한 바이오연료전지에 비해 1.2배 상승한 $0.91mW/cm^2$의 최대출력밀도를 얻었다. 이를 통해 바이오연료전지의 산화극을 위한 촉매로서 GOx와 함께 담지된 매개체 BQ를 포함한 촉매 제조 가능성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we synthesized biocatalyst consisting of glucose oxidase (GOx), polyethyleneimine (PEI) and carbon nanotube (CNT) with addition of p-benzoquinone (BQ) that was considered anodic catalysts of enzymatic biofuel cell (EBC). For doing this, PEI/CNT supporter was bonded with BQ by physical...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 MET의 주요 단점인 낮은 OCV, 매개체 전해질 용해 문제, 고가격 공정 및 생체독성을 해결하기 위하여, 용해식 매개체로 널리 사용되고 있는 저가의 벤조퀴논(benzoquinone, BQ)을 지지체인 생체적합성이 높은 폴리에틸렌이민(polyetheylenimine, PEI)-탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 복합체(PEI/CNT)에 정전기적 인력을 이용하여 물리적으로 포집하여 낮은 OCV를 개선한후, GOx를 담지시켜 DET와 MET의 장점이 혼합된 비용해성 전자 전달 매개체 기반 전자전달쇄(electron transfer chain, ETC)형 효소 촉매를 개발하고 전기화학적 측정을 통하여 포집에 의한 성능향상 효과를 평가하였으며, 실 구동환경 모사를 통하여 생체삽입형 연료 전지 산화극으로의 적용가능성을 확인하였다.
  • 한편, 전기화학 측정 시 Nafion®117을 사용하여 촉매가 전극으 로부터 탈락하는 것을 방지하고자 하였다.

가설 설정

  • 4. (a) A plot representing how current density measured at -0.46 V was changed with an increase in glucose concentration. As a result, Imax of GOx/[BQ/PEI]/CNT was 34.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
직접전자전달과 달리 매개체를 사용할 떄 장점은? 전자이동 경로는 크게 직접전자전달(direct electron transfer, DET) 및 간접전자전달(mediated electron transfer, MET)로 구분할 수 있는데, DET는 매개체(mediator) 없이 전자가 전극으로 직접 이동하는 기작으로, 높은 개로전압(open circuit voltage, OCV)을 기대할 수 있나, 효소와 전극 (지지체)사이의 간극을 2 nm 이내로 유지해야만 가능한 터널링 효과(tunnelling effect)에 의한 기작으로, 매개체가 효소의 활성부위와 전극에의 자유로운 접촉을 통하여 전자를 운반하는 역할을 하는 MET에 비해 상대적으로 그 성능이 떨어지는 단점이 있다[4]. 즉, 매개체는 전극표면의 효소와의 직접적인 상호작용의 필요성을 제거하여 전극과 효소의 활성부위 간 전자 전달 속도를 증가시킬 수 있는 장점을 갖고 있으나, 효소기반 연료 전지의 주요 목표인 생체삽입형 연료전지에는 혈액 내에 매개체를 용해시켜 사용하기 어렵고, DET 대비 낮은 OCV에 기인하여 사실상 적용이 힘들 것으로 평가되고 있다[5]. 이를 해결하기 위하여, 최근 ferrocenecarboxylic acid, osmium redox polymer 등의 금속 기반 고정형 매개체로 전극 표면을 개질한 산화극 촉매가 보고되고 있으나, 매개체의 생체독성 및 고가의 공정비용 등에 따라 생체삽 입형 연료전지로서의 실적용은 힘들 것으로 예상된다[6,7].
효소기반 연료전지란? 효소기반 연료전지는 연료로부터 전기에너지를 생산하기 위하여 효소를 촉매로 사용하는 전지로서, 효소로는 연료인 글루코스에 대한 기질선택성과 기전력(electromotive force)이 높으며, 대량생산이 가능한 특성이 있는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx)를주로 이용하고 있다[1,2]. GOx내부의 활성인자인 Flavin Adenine Dinucleotide (FAD)는 글루코스와 반응하여 전자를 생산하는데, 이를 산화극 촉매로 이용하여 전력을 생산하는 연구가 다수 보고되고 있으며, 이러한 특성을 글루코스 센서에 적용하여 상업화한 사례도 보고되고 있다[3].
효소기반 연료전지의 효소는 무엇이 있는가? 효소기반 연료전지는 연료로부터 전기에너지를 생산하기 위하여 효소를 촉매로 사용하는 전지로서, 효소로는 연료인 글루코스에 대한 기질선택성과 기전력(electromotive force)이 높으며, 대량생산이 가능한 특성이 있는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx)를주로 이용하고 있다[1,2]. GOx내부의 활성인자인 Flavin Adenine Dinucleotide (FAD)는 글루코스와 반응하여 전자를 생산하는데, 이를 산화극 촉매로 이용하여 전력을 생산하는 연구가 다수 보고되고 있으며, 이러한 특성을 글루코스 센서에 적용하여 상업화한 사례도 보고되고 있다[3].
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참고문헌 (15)

  1. Lee, S. H., Kim, Y. S., Chu, C. H., Na, I. C., Lee, J. H. and Park, K. P., "Effect of Fabrication Method of Cathode on OCV in Enzyme Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 54(2), 171-174(2016). 

  2. Lee, S. H., Hwang, B. C., Lee, H. R., Kim, Y. S., Chu, C. H., Na, I. C. and Park, K. P., "Effect of Fabrication Method of Anode on Performance in Enzyme Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 53(6), 667-671(2015). 

  3. Wilson, R., "Glucose Oxidase: An Ideal Enzyme," Biosens. Bioelectron., 7, 165-185(1992). 

  4. Ivnitski, D., Artyushkova, K., Rincon, R. A., Atanassov, P., Luckarift, H. R. and Johnson, G. R. "Entrapment of Enzymes and Carbon Nanotubes in Biologically Synthesized Silica: Glucose Oxidase-Catalyzed Direct Electron Transfer," Small, 4(3), 357-364(2008). 

  5. Barton, S. C., Gallaway, J. and Atanassov, P., "Enzymatic Biofuel Cells for Implantable and Microscale Devices," Chem. Rev. 104, 4867-4886(2004). 

  6. Van Nguyen, K. and Minteer, S. D., "Investigating DNA Hydrogels as a New Biomaterial for Enzyme Immobilization in Biobatteries," Chemical Communications, 51(66), 13071-13073(2015). 

  7. Osadebe, I., Conghaile, P. O., Kavanagh, P., and Leech, D., "Glucose Oxidation by Osmium Redox Polymer Mediated Enzyme Electrodes Operating at Low Potential and in Oxygen, for Application to Enzymatic Fuel Cells," Electrochimica Acta, 182, 320-326(2015). 

  8. Hyun, K. H., Han, S. W., Koh, W. and Kwon, Y., "Fabrication of Biofuel Cell Containing Enzyme Catalyst Immobilized by Layer-by-layer Method," Journal of Power Sources, 286, 197-203(2015). 

  9. Chung, Y., Hyun, K. and Kwon, Y., "Fabrication of Biofuel Cell Improved by $\pi$ -Conjugated Electron Pathway Effect Induced from a New Enzyme Catalyst Employing Terephthalaldehyde," Nanoscale, 8, 1161-1168(2016). 

  10. Chung, Y., Ahn, Y., Christwardana, M., Kim, H. and Kwon, Y., "Development of a Glucose Oxidase-based Biocatalyst Adopting Both Physical Entrapment and Crosslinking and its Use in Biofuel Cells," Nanoscale, 8, 9201-9210(2016). 

  11. Mandler, D., Kaminski, A. and Willner, I., "Application of Polyethyleneimine- quinone Modified Electrodes for Voltammetric Measurements of pH," Electrochimica acta, 37(15), 2765-2767(1992). 

  12. Wang, J., "Electrochemical Glucose Biosensors," Chem. Rev., 108, 814-825(2008). 

  13. Laviron, E., "General Expression of the Linear Potential Sweep Voltammogram in the Case of Diffusionless Electrochemical Systems," J. Electroanal. Chem., 101, 19-28(1979). 

  14. Kamin, R. A. and Wilson, G. S., "Rotating Ring-disk Enzyme Electrode for Biocatalysis Kinetic Studies and Characterization of the Immobilized Enzyme Layer," Anal. Chem., 52(8), 1198-1205(1980). 

  15. Ayato, Y., Suganuma, T., Seta, H., Yamagiwa, K., Shiroishi, H., and Kuwano, J., "Synthesis and Application of Carbon Nanotubes to Glucose Biofuel Cell with Glucose Oxidase and p-Benzoquinone," Journal of The Electrochemical Society, 162(14), F1482-F1486(2015). 

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