전자 전달 메커니즘, 금속 연구를 통한 미세유체 미생물 연료전지 성능 향상

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7417(2022) 이 기사 인용

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제시된 논문은 생성된 생체전기를 개선하기 위해 처음으로 미세유체 미생물 연료전지(MFC)의 전반적인 성능에 대한 다양한 전자 전달 메커니즘, 다양한 금속 기반 전극 및 정자기장의 영향을 근본적으로 조사합니다. 이를 위해 미세유체 MFC의 양극으로 아연, 알루미늄, 주석, 구리 및 니켈을 철저히 조사했습니다. 두 가지 유형의 박테리아인 Escherichia coli와 Shewanella oneidensis MR-1을 생체촉매로 사용하여 서로 다른 전자 전달 메커니즘을 비교했습니다. 양극과 미생물 사이의 상호작용을 평가했습니다. 마지막으로, 생성된 전력을 최대화하기 위해 정자기장을 적용할 수 있는 가능성이 평가되었습니다. 아연 양극의 경우 최대 개방 전위, 전류 밀도, 전력 밀도는 각각 1.39V, 138,181mAm-2, 35,294mWm-2로 얻어졌다. 생성된 전류 밀도는 지금까지 이전에 발표된 연구에서 얻은 값보다 최소 445% 더 좋습니다. 미세유체 MFC는 의료 및 임상 응용 분야에서 자외선 발광 다이오드(UV-LED)에 전원을 공급하는 데 성공적으로 사용되어 이식형 의료 기기용 마이크로 크기 발전기로서의 적용을 설명했습니다.

미생물 연료 전지(MFC)는 유기 기질이나 바이오매스1에서 에너지를 수확하기 위해 미생물을 생체 촉매로 활용하는 유망한 녹색 및 재생 가능 생체 전기 생성 접근 방식입니다. 게다가, 폐수 처리 및 바이오 센싱2, 바이오수소 생산을 위한 미생물 전기분해 전지(MEC) 구동3 및 현장 진단 장치4에서 MFC의 수많은 응용이 학문적 관심을 끌고 있습니다. 후자의 응용은 전체 셀을 칩에 통합하는 고유한 이점을 제공하는 미세유체 기술의 도움으로 결실을 맺었습니다.

휴대용, 웨어러블5 및 이식형 의료 기기(IMD)6용 소형 시스템에 전력을 공급할 수 있고, 더 짧은 응답 시간을 갖고, 작동 매개변수를 정밀하게 제어하고1, 최종적으로 생물막 형성 및 생물학적 상호 작용7에 대한 더 나은 이해를 달성하는 것이 미세 유체 MFC의 주요 특징으로 표시됩니다. 그러나 미세유체 MFC의 실제 적용은 낮은 출력 전력 밀도와 높은 제조 비용으로 인해 여전히 제한적입니다.

생성된 전력은 물리적(전극 재료, 막 및 세포 구성), 생물학적(미생물 및 기질 유형, 미생물의 전자 전달 메커니즘) 및 작동(온도, pH, 외부 저항 및 유속) 매개변수8를 포함한 다양한 요인에 따라 달라집니다. 9,10. 세포외 전자를 전달하기 위해 미생물과 양극 표면 사이의 직접 또는 간접적 상호 작용이 일어나기 때문에 양극 전극은 이 과정에서 중요한 역할을 합니다. 게다가, 양극 구조와 재료, 특히 생체 적합성, 다공성, 지형, 거칠기 및 잠재력의 영향은 미세 유체 MFC의 생물막 형성 및 내부 저항에 현저하게 영향을 미칠 수 있습니다. 유망한 대체 양극은 미세유체 MFC의 출력 전력 밀도를 크게 증가시켜 이 기술을 기초 연구에서 상용 응용으로의 전환을 가속화할 것입니다.

MFC 기술이 시작된 이래로 언급된 모든 특성을 갖춘 양극 전극을 찾기 위해 수많은 연구가 수행되었습니다. 탄소 기반 전극 조사12와 관계없이 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄( Al)은 MFC13,14에서양극 전극으로 사용됩니다. 결과는 Mo가 다른 금속 및 탄소 기반 전극보다 더 높은 전류 밀도를 가지고 있음을 나타냅니다. 이는 탄소 기반 전극의 경쟁력 있는 대안으로 금속 기반 전극을 도입하기 위한 초기 단계였습니다. 더욱이, 생체적합성, 표면적 대 부피 비율 및 전기 전도성을 향상시키기 위해 니켈 나노구조의 통합과 Fe3O4 나노구체 및 환원된 그래핀 산화물을 이용한 표면 개질과 같은 여러 가지 개질 전략이 개발되었습니다.