|
신물질 이용 미생물 연료 전지 성능 향상
탄소 나노튜브와 폴리머 섬유들로 만들어진 다공성 합성 직물은 미생물 연료 전지(MFC)의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 전극으로 제조될 수 있다. 이 연구는 나노레터스 지에 12월 15일 온라인 게재되었다. (Nano Lett., DOI: 10.1021/nl103905t).
시험 공장 크기이지만 아직 상업화 되지 않은 MFC는 유기 물질을 포함한 폐수를 정화시킬 수 있는 박테리아로 구동되는 전기화학 소자이다. 이 미생물은 조절된 화학 반응들로부터 전기 에너지를 추출함으로써 전력을 동시에 생산하는 연료로 유기 물질을 이용한다. 이 연구는 상업적으로 이용 가능하도록 성능이 향상된 전지들을 만들기 위해 맞춤 재료들을 준비하기 위한 공정을 실현하였다.
자동차 전력을 위해 폭넓게 연구되고 인기 있는 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지 같은 연료 전지들은 양극에서 수소를 산화한다. 자유 전자들은 강 산화성 물질, 일반적으로 산소를 제거하는 음극으로 외부 회로를 통해 흐르게 되어 전기 전력을 제공한다. 물을 발생하는 전체 공정은 백금이나 다른 촉매들에 의해 촉진된다.
MFC들은 바이오매스 또는 유기 물질이 연료를 조성하는 것을 제외하고 여타 연료전지와 같은 방법으로 작동한다. 그리고 값비싼 금속들에 의존하지 않고 MFC들은 생체 촉매들로써 외기전성(exoelectrogenic) 박테리아를 이용하고 음식 연료를 분해하기 위해 미생물 신진대사 장치를 활용한다. 외기전체들의 규정된 특성은 양극 쪽으로 생체 나노와이어들을 거쳐 플라즈마 멤브레인들 통해 전자들을 이동시키는 능력이다.
디자인된 MFC들의 주된 과제는 고성능 양극 물질을 개발하는 것이었다. 이상적으로, 이 물질은 박테리아 전이 증식을 돕기 위해 충분히 다공성이어야 하며 미생물 박막들과 양극 표면 사이 전자 이동을 촉진시키기 위해 기계적으로 단단하고 전기적으로 전도체여야 한다.
연구원들은 다양한 다공성 탄소 기반 옷감, 종이, 다른 물질들을 이용하여 실험하였다. 그러나 그런 물질들로 만들어진 양극 내 작은 구멍들은 더 많은 전이 증식을 방해하고 이에 따라 연료 전지 성능을 제한하는 초기 미생물 성장으로 인해 빠르게 막히게 된다.
이 문제를 극복하기 위한 노력으로 스탠포드 대학 연구팀은 무질서하게 서로 비틀어진 20 마이크로미터 직경 폴리에스테르 섬유들로 만들어진 구멍이 뚫린 직물을 탄소 나노튜브와 섞어 고 다공성, 전도성, 생체 호환 물질을 개발했다. 이 연구팀은 이 합성 물질로 만들어진 양극들은 내부 미생물 전이 증식에 이상적인 열린 3차원 구조라고 말한다.
시험들에서 합성 직물 양극들로 설치된 MFC들이 상대적으로 작은 구멍들을 가지고 외부 양극 표면들 상에서만 생체 박막 성장을 할 수 있는 일반 직조 탄소 옷감 양극들로 만들어진 것들보다 향상된 성능을 보였다. 구체적으로 말하면, 새로운 MFC들은 일반적인 MFC들 보다 157% 더 큰 최대 전류 밀도와 68% 더 큰 최대 전력 밀도를 생성했다.
그림 설명: 신 합성 직물이 미생물 전이 증식을 촉진한다. 생체 박막이 각 섬유 둘레를 감싸고 있다.(왼쪽) 미생물들이 머리까락 같은 나노와이어 구조들을 통해 물질에 묶여져 있다.(오른쪽)
출처 : http://pubs.acs.org/cen/news/89/i01/8901news1.html
|
