KR101084623B1 - Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array - Google Patents

Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array Download PDF

Info

Publication number
KR101084623B1
KR101084623B1 KR1020090001506A KR20090001506A KR101084623B1 KR 101084623 B1 KR101084623 B1 KR 101084623B1 KR 1020090001506 A KR1020090001506 A KR 1020090001506A KR 20090001506 A KR20090001506 A KR 20090001506A KR 101084623 B1 KR101084623 B1 KR 101084623B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
enzyme
fuel cell
nanowire array
dehydrogenase
Prior art date
Application number
KR1020090001506A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20100082151A (en
Inventor
유경화
김지헌
김성인
Original Assignee
연세대학교 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 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020090001506A priority Critical patent/KR101084623B1/en
Publication of KR20100082151A publication Critical patent/KR20100082151A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101084623B1 publication Critical patent/KR101084623B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004Oxidoreductases (1.)
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치를 제공한다.The present invention provides an electrode comprising an array of nanowires containing an enzyme, a conductive polymer and an electron mediator, a method of manufacturing the electrode, an enzyme fuel cell including the electrode, and a living body implantation device including the enzyme fuel cell.

본 발명에 따른 나노와이어 어레이 형태의 전극은 전극의 표면적이 현격하게 증가하므로 효소의 반응을 증가시킬 수 있다. 또한, 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 나노와이어 어레이 형태의 전극을 제조할 수 있다. Nanowire array electrode according to the present invention can increase the reaction of the enzyme because the surface area of the electrode is significantly increased. In addition, by using a conductive polymer and an electron mediator, it is possible to manufacture an electrode in the form of a nanowire array in which an enzyme is immobilized stably and efficiently without using an electron conductor or a substance for fixing an enzyme to an electron conductor.

효소 연료 전지, 나노와이어 어레이, 전도성 고분자, 전자 매개체 Enzyme Fuel Cells, Nanowire Arrays, Conductive Polymers, Electronic Mediators

Description

나노와이어 어레이를 포함하는 효소 연료 전지{Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array}Enzymatic fuel cell comprising nanowire array {Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array}

본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode comprising an array of nanowires containing an enzyme, a conductive polymer and an electron mediator, a method for producing the electrode, an enzyme fuel cell comprising the electrode and a living body implantation device comprising the enzyme fuel cell.

효소 연료 전지는 특정 산화환원 효소를 촉매로 하여 생화학 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 산화전극에는 기질을 산화시키는 효소를 사용하고 반대로 환원 전극에는 기질을 환원시키는 효소를 사용함으로써 전자가 기질을 통하여 전달될 수 있다. 효소는 촉매 작용이 뛰어나므로 효소 연료전지의 에너지 밀도를 상당히 높일 수 있으나 환경에 민감하여 쉽게 활성을 상실할 수 있고 비싼 물질이므로 활용하기 위해서는 특별한 방법이 사용되어야 한다. 또한 효소의 활성 부위가 보통은 효소 내부에 깊이 묻혀 있어서 전극과 직접적인 전자전달반응이 어려울 수 있어 효소와 전극을 전기적으로 연결하기 위한 방법이 필요하다. 또한 효소 연료 전지의 상용화를 위해서는 효소 연료 전지의 전력 밀도를 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.Enzyme fuel cells are electrochemical devices that convert biochemical energy into electrical energy using specific redox enzymes as catalysts. Electrons can be transferred through the substrate by using an enzyme that oxidizes the substrate to the anode and, conversely, by using an enzyme that reduces the substrate to the reduction electrode. Enzymes can be used to increase the energy density of enzymatic fuel cells due to their excellent catalytic action, but they are sensitive to the environment and can easily lose their activity. In addition, since the active site of the enzyme is usually buried deep inside the enzyme, direct electron transfer reaction with the electrode can be difficult, so a method for electrically connecting the enzyme with the electrode is required. In addition, the commercialization of the enzyme fuel cell requires the development of a technology that can increase the power density of the enzyme fuel cell.

본 발명은 전극과 효소 사이가 전기적으로 효율적으로 연결되어 있고, 높은 전력 밀도를 제공할 수 있는 전극 및 이를 포함하는 효소 연료 전지를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide an electrode and an enzyme fuel cell including the same, which are electrically and efficiently connected between an electrode and an enzyme, and which can provide a high power density.

상기 목적을 위해, 본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 체내 이식 장치를 제공한다. For this purpose, the present invention provides an electrode comprising an array of nanowires containing an enzyme, a conductive polymer and an electron mediator, a method of manufacturing the electrode, an enzymatic fuel cell comprising the electrode and an in vivo implant comprising the enzyme fuel cell. Provide a device.

본 발명에 따른 나노와이어 어레이 형태의 전극은 전극의 표면적이 현격하게 증가하므로 효소의 반응을 증가시킬 수 있다. 또한, 전고성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 나노와이어 어레이 형태의 전극을 제조할 수 있다. Nanowire array electrode according to the present invention can increase the reaction of the enzyme because the surface area of the electrode is significantly increased. In addition, by using an all-solid polymer and an electron mediator, it is possible to manufacture an electrode in the form of a nanowire array in which an enzyme is immobilized stably and efficiently without using an electron conductor or a substance for fixing an enzyme to an electron conductor.

본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode comprising an array of nanowires containing enzymes, conductive polymers and electron mediators.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 전극은 산화전극 또는 환원전극으로 이용되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrode may be used as an anode or a cathode.

본 발명에 있어서, 산화전극은 기질의 산화를 촉매하는 산화환원효소를 포함하는 산화전극을 의미한다. 기질의 산화를 통해 산화전극은 전기회로에 전자를 공급한다. 한편, 환원전극은 기질을 환원하는 산화환원효소를 포함하는 환원전극을 의미한다. 환원전극은 전자를 받아 기질을 환원시키는 역할을 한다. In the present invention, the anode means an anode comprising an oxidoreductase that catalyzes the oxidation of the substrate. Through oxidation of the substrate, the anode supplies electrons to the electrical circuit. On the other hand, the cathode refers to a cathode including a oxidoreductase to reduce the substrate. The cathode receives electrons and serves to reduce the substrate.

산화환원효소(oxidoreductase)는 환원제(reductant), 즉 수소 또는 전자 공여체(donor)로부터 산화제(oxidant), 즉 수소 또는 전자 수용체(acceptor)로의 전자의 전달을 촉매하는 효소를 의미한다. 산화환원효소는 '공여체:수용체 산화환원효소(donor:acceptor oxidoreductase)'라고 명명하는 것이 바람직하나, 흔히 '공여체 탈수소효소(donor dehydrogenase)' 또는 '수용체 환원효소(acceptor reductase)'라고 일컬어지고 있다. 특히, 산소가 수용체인 경우, 산화환원효소는 '공여체 산화효소(donor oxidase)'라고 불리기도 한다. Oxidoreductase refers to an enzyme that catalyzes the transfer of electrons from a reductant, ie hydrogen or electron donor, to an oxidant, ie hydrogen or electron acceptor. The oxidoreductase is preferably named 'donor: acceptor oxidoreductase', but is commonly referred to as 'donor dehydrogenase' or 'acceptor reductase'. In particular, when oxygen is a receptor, the oxidoreductase is sometimes referred to as 'donor oxidase'.

본 발명의 한 측면에서, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 기질을 산화시켜 전자를 공급할 수 있는 산화환원효소라면 어떠한 것이든 이용가능하다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 예를 들어, 글루코스 산화효소, 글루코스 탈수소효소, 알코올 산화환원 효소, 알데히드 탈수소효소, CH-CH 산화환원 효소, 아미노산 산화환원 효소, CH-NH 산화환원 효소, 락테 이트 탈수소효소, 락토오스 탈수소효소, 피루베이트 탈수소효소, 포르메이트 탈수소효소 및 포름알데히드 탈수소효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소일 수 있다. 효소 연료 전지의 연료로서 사용하고자 하는 기질의 종류에 따라 상기 효소의 종류는 달라질 수 있을 것이다. 효소의 기질은 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산과 같은 유기 화합물이다. 예를 들어, 글루코오스를 효소 연료 전지의 연료로 사용하는 경우, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 글루코스 산화효소일 수 있다. 글루코스 산화효소는 글루코스를 글루코노락톤으로 산화시키면서 전자를 방출한다. In one aspect of the present invention, the oxidoreductase included in the anode may be used as long as it is an oxidoreductase capable of supplying electrons by oxidizing a substrate. Although not limited thereto, the oxidoreductase included in the anode is, for example, glucose oxidase, glucose dehydrogenase, alcohol redox enzyme, aldehyde dehydrogenase, CH-CH redox enzyme, amino acid redox enzyme, CH -NH redox enzymes, lactate dehydrogenases, lactose dehydrogenases, pyruvate dehydrogenases, formate dehydrogenases and formaldehyde dehydrogenases. The type of enzyme may vary depending on the type of substrate to be used as fuel of the enzyme fuel cell. Substrates of enzymes are organic compounds such as sugars, carbohydrates, organic acids, alcohols, fatty acids, hydrocarbons, ketones, aldehydes, amino acids, proteins and nucleic acids. For example, when glucose is used as a fuel of an enzyme fuel cell, the oxidoreductase included in the anode may be a glucose oxidase. Glucose oxidase releases electrons by oxidizing glucose to gluconolactone.

본 발명의 한 측면에서, 상기 환원전극에 포함되는 산화환원효소는 기질을 환원시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이든 이용가능하다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 환원전극에 포함되는 산화환원효소는 예를 들어, 라카아제, 빌리루빈 산화효소, 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 및 퍼옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소일 수 있다. 예를 들어, 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 라카아제를 이용하는 경우, 라카아제는 전달받은 전자를 이용하여 산소를 물로 환원시킨다. 다른 예로, 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 빌리루빈 산화효소를 이용하는 경우 빌리루빈 산화효소는 빌리루빈을 빌리베르딘으로 산화시키는 동시에 산소를 물로 환원시킨다. In one aspect of the present invention, the oxidoreductase included in the cathode may be used as long as it can reduce the substrate. Although not limited thereto, the oxidoreductase included in the cathode may be, for example, one or more oxidoreductases selected from the group consisting of laccase, bilirubin oxidase, superoxide dismutase and peroxidase. For example, when using a laccase as an oxidoreductase included in the cathode, the laccase reduces oxygen to water using the transferred electrons. As another example, when bilirubin oxidase is used as an oxidoreductase included in the cathode, bilirubin oxidase oxidizes bilirubin to biliverdine and reduces oxygen to water.

본 발명에 따른 전극은 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 안정적이고 효율적으로 효소를 전극에 고정시킨다.The electrode according to the present invention stably and efficiently fixes the enzyme to the electrode by using a conductive polymer and an electron mediator without using an electron conductor or a substance for fixing the enzyme to the electron conductor.

본 발명에 있어서, 상기 전도성 고분자는 높은 전도도를 가져 전자의 이동을 매개하는 고분자라면 어떠한 것이든 이용가능하다.In the present invention, any conductive polymer may be used as long as it has a high conductivity and mediates the movement of electrons.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤; 폴리아세틸렌; 폴리아닐린; 폴리티오펜; 폴리설퍼니트리드; 폴리플루오렌; 폴리(3-알킬티오펜); 폴리테트라티아풀발렌; 폴리나프탈렌; 폴리(p-페닐렌 설파이드); 폴리(파라-페닐렌 비닐렌) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 고분자일 수 있다. 다르게는, 금속 또는 금속산화물이 결합된 고분자를 전도성 고분자로 이용할 수도 있다. 하기 실시예에서는 전도성 고분자로서 폴리피롤을 이용하여 나노와이어 형태의 전극을 형성한다. In one embodiment of the invention, the conductive polymer is polypyrrole; Polyacetylene; Polyaniline; Polythiophene; Polysulfurite; Polyfluorene; Poly (3-alkylthiophene); Polytetrathiafulvalene; Polynaphthalene; Poly (p-phenylene sulfide); At least one polymer selected from the group consisting of poly (para-phenylene vinylene) and derivatives thereof. Alternatively, a polymer in which a metal or metal oxide is combined may be used as the conductive polymer. In the following example, a nanowire-type electrode is formed using polypyrrole as the conductive polymer.

본 발명에서는 전도성 고분자, 전자 매개체와 함께 효소를 혼합한 전해질 용액을 전기화학적 중합에 의해 중합함으로써 금속 또는 탄소계 물질과 같은 전자 도체를 이용하지 않으면서 나노와이어 형태의 전극을 형성하게 된다. 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 전극을 제조할 수 있다. In the present invention, the electrolyte solution in which the enzyme is mixed with the conductive polymer and the electron mediator is polymerized by electrochemical polymerization to form a nanowire electrode without using an electron conductor such as a metal or a carbon-based material. By using the conductive polymer and the electron mediator, it is possible to manufacture the electrode to which the enzyme is immobilized stably and efficiently without using an electron conductor or a substance for fixing the enzyme to the electron conductor.

전자 매개체는 효소 연료 전지에 높은 전력 밀도를 제공하도록 하기 위해 사용된다. 본 발명에 있어서, 전자 매개체는 전자를 수용 또는 공여할 수 있는 화합물이라면 어떠한 것이든 사용가능하다. 다만, 전자 매개체는 효소 연료 전지에서 사용되는 효소와의 반응 친화성, 전도성 고분자와의 전자 교환 속도, 구조 안정성 등을 고려하여 선택할 수 있다. Electron mediators are used to provide high power density to enzyme fuel cells. In the present invention, the electron mediator can be used as long as the compound can accept or donate electrons. However, the electron mediator may be selected in consideration of reaction affinity with an enzyme used in an enzyme fuel cell, an electron exchange rate with a conductive polymer, and structural stability.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 전자 매개체는 HQS(8-하이드록시퀴놀린-5-설폰산 하이드레이트), 퀴논계 화합물, 비타민 K3(2-메틸-1,4-나프토퀴논), 비오로겐계 화합물, 니코틴아미드계 화합물, 리보플라빈계 화합물, ABTS(2,2'-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설포네이트), Os, Ru, Fe 및 Co의 금속 착체(metal complex)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 예를 들어, ABTS는 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 라카아제를 이용하는 경우 전자 매개체로서 유용하게 이용될 수 있다. In one embodiment of the invention, the electron mediator is HQS (8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate), quinone compounds, vitamin K3 (2-methyl-1,4-naphthoquinone), biorogen-based Compound, nicotinamide compound, riboflavin compound, ABTS (2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate), Os, Ru, Fe and Co metal complex (metal complex) For example, ABTS may be usefully used as an electron mediator when using a laccase as an oxidoreductase included in a cathode.

본 발명은 또한The invention also

금속이 코팅된 기판 상에 나노와이어 어레이 형성용 주형을 부착하고,Attaching a mold for forming a nanowire array on a metal-coated substrate,

전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 준비하고,Preparing an electrolyte solution containing a conductive polymer, an electron mediator and an enzyme,

전기화학적 중합에 의해 상기 전해질 용액을 주형 내에서 중합한 후 주형을 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성하는 것을 포함하는Forming an electrode in the form of a nanowire array by polymerizing the electrolyte solution in a mold by electrochemical polymerization and then removing the mold.

상기 전극의 제조 방법을 제공한다. It provides a method for producing the electrode.

본 발명에 따른 전극은 나노와이어 어레이의 고정을 위해 기판 상에 나노와이어 어레이가 형성되어 있는 형태를 취한다. Electrode according to the present invention takes the form that the nanowire array is formed on the substrate for fixing the nanowire array.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 석영, 그리고 PET와 같은 고분자화합물로 이루어진 것일 수 있다. In one embodiment of the invention, the substrate may be made of a polymer compound, such as silicon, glass, quartz, and PET.

상기 기판 상에 코팅되어 있는 금속은 금, 은, 백금, 구리를 포함하는 전도성 금속일 수 있다.The metal coated on the substrate may be a conductive metal including gold, silver, platinum, and copper.

본 발명에서 사용되는 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 것으로서, 나노와이어 어레이의 합성 후 쉽게 제거할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 이용가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 금속산화물이나 폴리카보네이트로 만들어진 나노사이즈 포어 주형, 또는 블록공중합체(Block copolymer)를 이용한 주형 등을 이용할 수 있다. 하기 실시예에서는 산화알루미늄막 주형을 이용하여 나노와이어 어레이를 합성하고, 합성 후 인산을 이용하여 산화알루미늄막을 부분적으로 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성한다. The mold for forming a nanowire array used in the present invention has a pore of a nano size, and any one can be used as long as it can be easily removed after synthesis of the nanowire array. In one embodiment of the present invention, the nanowire array forming mold may be a nano-size pore mold made of a metal oxide or polycarbonate having a nano-sized pore, a mold using a block copolymer, or the like. . In the following example, the nanowire array is synthesized using an aluminum oxide film template, and the nanowire array electrode is formed by partially removing the aluminum oxide film using phosphoric acid after the synthesis.

주형은 기판 상에 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 주형은 기판 상에 직접 형성될 수도 있고, 별도로 제작된 주형을 기판 상에 부착할 수도 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 기판 상의 주형의 부착은 금속 페이스트(metal paste)를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 금속 페이스트에 사용되는 금속은 금, 은, 백금, 구리를 포함하는 전도성 금속일 수 있다. The mold can be formed on the substrate in any way. The mold may be formed directly on the substrate, or a separately manufactured mold may be attached on the substrate. In one embodiment of the present invention, the attachment of the mold on the substrate can be performed using a metal paste. The metal used in the metal paste may be a conductive metal including gold, silver, platinum, and copper.

전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 상기 주형 내에서 전기화학적 중합에 의해 중합하면 주형의 포어 내에 나노와이어가 형성되게 되며, 주형의 일부를 제거함으로써 나노와이어 어레이를 얻을 수 있게 된다. When the electrolyte solution containing the conductive polymer, the electron mediator and the enzyme is polymerized by electrochemical polymerization in the template, nanowires are formed in the pores of the template, and the nanowire array can be obtained by removing a portion of the template.

나노와이어의 집합체인 나노와이어 어레이는 전극의 표면적이 매우 넓기 때문에 효소 반응이 필름 표면에서만 일어나는 필름 형태의 전극에 비해 전류 밀도를 현저히 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 나노와이어 어레이 전극은 전도성 고분자로 이루어진 전극에 효소가 고정되어 있는 형태이므로 탄소나 금속을 이용한 전기 도체에 효소를 고정화시킨 전극에 비해 전극과 효소가 전기적으로 효율적으로 연결되어 있어, 전력 밀도의 증가를 제공하게 된다.The nanowire array, which is a collection of nanowires, has a very large surface area of the electrode, which allows the enzymatic reaction to increase the current density significantly compared to the film-type electrode that occurs only on the film surface. In addition, since the nanowire array electrode of the present invention is a form in which an enzyme is immobilized on an electrode made of a conductive polymer, the electrode and the enzyme are electrically connected more efficiently than the electrode immobilized on the electric conductor using carbon or metal. Will provide an increase in power density.

본 발명은 또한 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지를 제공한다.The present invention also provides an enzyme fuel cell comprising the electrode.

상기 효소 연료 전지에서 이용하게 되는 연료는 효소가 기질로서 사용하는 유기 화합물이면 어떠한 것이든 사용가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 유기 화합물은, 이에 제한되는 것은 아니나, 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유기 화합물일 수 있다. The fuel to be used in the enzyme fuel cell may be any organic compound used as the substrate by the enzyme. In one embodiment of the invention, the organic compound is one or more organic compounds selected from the group consisting of, but not limited to, sugars, carbohydrates, organic acids, alcohols, fatty acids, hydrocarbons, ketones, aldehydes, amino acids, proteins and nucleic acids Can be.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 전극은 유체 채널 내에 구비되어 있는 것일 수 있다. 유체 채널은 연료 유체의 공급이 지속적으로 이루어질 수 있도록 하기 때문에, 닫힌 공간 내에 연료가 존재하는 경우에 비해 에너지 밀도와 전류 밀도의 증가를 제공할 수 있다. 연료 유체는 주입구와 배출구를 통해 지속적으로 효소 연료 전지에 제공되게 되며, 이를 통해 효소의 산화제와 환원제의 공급이 원활하게 이루어지게 된다. 또한, 닫힌 공간 내에 연료가 존재하는 경우에 비해 산화전극의 효소또는 환원전극의 효소가 이들의 기질이 아닌 다른 산화제나 환원제에 의해 반응 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 미세 유체 채널을 이용하면 효소 연료 전지의 동작 시간을 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 전지의 소형화가 가능하다.In one embodiment of the invention, the electrode may be provided in the fluid channel. Since the fluid channel allows the supply of fuel fluid to be made continuously, it can provide an increase in energy density and current density as compared to when fuel is present in a closed space. The fuel fluid is continuously provided to the enzyme fuel cell through the inlet and the outlet, thereby smoothly supplying the oxidizing agent and the reducing agent of the enzyme. In addition, compared with the case where fuel is present in the closed space, the enzyme of the anode or the enzyme of the cathode has an advantage of preventing the reaction efficiency from being lowered by oxidants or reducing agents other than their substrates. In particular, the use of microfluidic channels not only increases the operating time of the enzymatic fuel cell, but also enables miniaturization of the cell.

본 발명은 또한 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치를 제공한다. 상기 효소 연료 전지는 생체 이식 장치 이외의 전자 장치에도 사용할 수 있지만, 이의 효율적 이용을 위해서는 생체 내 환경과 같은 조건이 구비되어야 하므로 일반적인 전자 장치보다는 생체 이식 장치에 사용하는 것이 바람직할 것이다.The present invention also provides a living body implantation device comprising the enzyme fuel cell. The enzyme fuel cell may be used in an electronic device other than a living body implantation device, but for efficient use thereof, the enzyme fuel cell should be used in a living body implantation device rather than a general electronic device because conditions such as an in vivo environment must be provided.

생체 이식 장치에 사용할 경우 상기 효소 연료 장치는 별도의 연료 공급이 필요하지 않고 생체 내에서 공급되는 유기 화합물을 연료로 이용할 수 있어 매우 유용하다. When used in a living body implantation device, the enzyme fuel device is very useful because it does not require a separate fuel supply and can use organic compounds supplied in vivo as fuel.

상기 생체 이식 장치는 전력의 공급이 필요한 생체 내 이식이 요구되는 장치이면 어떠한 것이든 가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 생체 이식 장치는 인공심박조율기(pacemaker), 신경 자극장치(nerver-stimulator), 약물 전달 펌프(drug delivery pump), 생체 이식센서(예: 실시간 포도당센서) 또는 나노 로봇 같은 초소형 생체기기일 수 있다.The living body implantation device may be any device as long as it is a device requiring implantation in vivo. In one embodiment of the present invention, the living implant device is a pacemaker, a nerve stimulator, a drug delivery pump, a living transplant sensor (eg, real time glucose sensor) or nano It may be a microscopic biological device such as a robot.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims.

[실시예][Example]

실시예 1. 나노와이어 어레이 형태의 전극의 제조Example 1 Fabrication of Electrodes in the form of Nanowire Arrays

도 1은 본 발명에 따른 나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 모식도이며, 도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram of an electrode including a nanowire array according to the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing a method of manufacturing an electrode according to the present invention.

먼저 나노와이어 어레이 형성용 주형으로써, 산화 알루미늄막 주형틀(Anodic Aluminum Oxide (AAO) template)을 제작하였다. 산화 알루미늄막 주형틀을 제작하기 위해서 알루미늄 판을 두 번 산화 시키는 방법을 사용했다. 처음 산화 시킬 때는 0.3 M의 옥살산 용액을 0 ℃로 온도를 낮추어 탄소전극과 알루미늄판을 옥살산 용액에 담근 후 40 V의 전압을 인가하여 24시간 동안 1차 산화를 시켰다. 그 다음으로 6 wt% 인산과 1.8 wt% 크롬산의 혼합용액으로 알루미늄 판에 생긴 산화막을 60 ℃에서 24시간 동안 녹여낸 후에 1차 산화와 같은 조건으로 원하는 두께만큼 시간을 조절하여 산화시켰다. 그 뒤에 과염소산과 에탄올을 1:1로 섞은 용액에서 45 V를 인가하여 산화알루미늄막 주형틀을 알루미늄판에서 분리시켰다. 그렇게 얻어진 주형틀을 6 wt% 인산에 넣어서 포어의 크기를 넓혔다. 전극에 사용하기 위해 한쪽 면에 크롬과 금을 증착하여 기판에 붙이기 용이하도록 하였다. First, as a template for forming a nanowire array, an aluminum oxide film template (AAO) template was manufactured. To fabricate the aluminum oxide mold, the aluminum plate was oxidized twice. When oxidizing for the first time, the 0.3 M oxalic acid solution was cooled to 0 ° C., and the carbon electrode and aluminum plate were immersed in the oxalic acid solution. Then, the oxide film formed on the aluminum plate was melted at 60 ° C. for 24 hours with a mixed solution of 6 wt% phosphoric acid and 1.8 wt% chromic acid, and then oxidized by controlling the time to a desired thickness under the same conditions as the primary oxidation. Thereafter, 45 V was applied in a 1: 1 mixture of perchloric acid and ethanol to separate the aluminum oxide film template from the aluminum plate. The mold thus obtained was placed in 6 wt% phosphoric acid to enlarge the pore size. Chrome and gold were deposited on one side for use in the electrode, making it easy to attach to the substrate.

나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 제조를 위해 금을 코팅한 실리콘 웨이퍼에 실버 페이스트(silver paste)를 이용하여 만들어 놓은 산화 알루미늄막 주형틀을 붙인 후에 건조시켰다. 실버 페이스트(silver paste)가 마른 후에 AAO부분을 제외한 나머지 부분을 에폭시와 같은 고분자 화합물을 이용해 패시베이션하였다. In order to fabricate an electrode including a nanowire array, an aluminum oxide film mold made of silver paste was attached to a gold-coated silicon wafer and then dried. After the silver paste was dried, the remaining portion except for the AAO portion was passivated using a polymer compound such as epoxy.

주형 내에서 나노와이어 어레이를 합성하기 위해, 산화전극 제조용 전해질 용액과 환원전극용 전해질 용액을 제조하고 이를 전기화학적 중합 방법을 이용하여 나노와이어 어레이를 형성하였다(L. Brunel et al. / Electrochemistry Communications 9 (2007) 331-336, J. Wang et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry 575 (2005) 139-146, Manoj Kumar Ram et al. / Nanotechnology 11 (2000) 112-119). 구체적으로, 0.1 M 피롤과 0.01 M HQS (8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate)를 증류수에 녹인 후 글루코스 산화효소 (Glucose oxidase)를 200 U/ml 녹여서 만든 전해질을 이용하여 AAO 안에 전기화학적 중합 방법으로 나노선 어레이를 제작, 산화전극으로 사용하였다. 또한, 0.1 M 피롤과 0.025 M ABTS (2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate))를 증류수에 녹인 후 라카아제(Lacasse)를 150 U/ml 녹여서 만든 후에 산화전극과 같은 방법으로 AAO 안에 나노선 어레이를 제작하여, 이를 환원전극으로 사용하였다. 전기화학적 중합 방법을 적용할 때 counter 전극은 백금, reference 전극은 Ag/AgCl 전극을 사용했다. 산화전극은 1.5 V, 환원전극은 0.8 V 의 potential을 각각 3.5~4.0 C/cm2, 625 mC/cm2이 될 때까지 유지시켰다. 전기화학적 중합에 의해 형성된 나노와이어를 AAO 밖으로 노출시키기 위해 10 % wt 인산을 이용하여 AAO를 부분적으로 제거함으로써 산화전극과 환원전극을 제조하였다.In order to synthesize the nanowire array in the template, an electrolyte solution for preparing an anode and an electrolyte solution for a cathode were prepared and formed into a nanowire array by using an electrochemical polymerization method (L. Brunel et al. / Electrochemistry Communications 9 (2007) 331-336, J. Wang et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry 575 (2005) 139-146, Manoj Kumar Ram et al. / Nanotechnology 11 (2000) 112-119). Specifically, electrochemical polymerization method in AAO using an electrolyte made by dissolving 0.1 M pyrrole and 0.01 M HQS (8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate) in distilled water and then dissolving 200 U / ml of glucose oxidase. A nanowire array was fabricated and used as an anode. In addition, 0.1 M pyrrole and 0.025 M ABTS (2,2′-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate)) are dissolved in distilled water, and then made by dissolving 150 U / ml of laccase. A nanowire array was fabricated in AAO by the method, which was used as a cathode. In the electrochemical polymerization method, the counter electrode was platinum and the reference electrode was Ag / AgCl electrode. The potential of the anode was 1.5 V and that of the cathode was 0.8 V until the potentials reached 3.5-4.0 C / cm 2 and 625 mC / cm 2 , respectively. An anode and a cathode were prepared by partially removing AAO using 10% wt phosphoric acid to expose the nanowires formed by electrochemical polymerization out of AAO.

도 3은 본 발명의 전극의 제조를 위해 사용된 나노와이어 어레이 제조용 주형의 단면(a), 이를 이용하여 합성된 나노와이어 어레이의 단면(b) 및 측면(c)을 보여주는 사진이며, 도 4는 나노와이어 어레이의 합성을 위한 전기화학적 중합 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a photograph showing a cross section (a) of a template for manufacturing a nanowire array used for manufacturing an electrode of the present invention, a cross section (b) and a side surface (c) of a nanowire array synthesized using the same. FIG. Illustrates an electrochemical polymerization process for the synthesis of the nanowire array.

실시예 2. 나노와이어 어레이 형태의 전극을 포함하는 효소 연료 전지의 전류 측정Example 2 Current Measurement of Enzyme Fuel Cell Including Nanowire Array Electrode

도 5는 나노와이어 어레이를 포함하는 산화전극과 나노와이어 어레이를 포함하는 환원전극을 포함하는 본 발명의 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram exemplarily illustrating an enzyme fuel cell of the present invention including an anode including a nanowire array and a cathode including a nanowire array.

PBS 용액(Phospate buffer saline solution)에 15 mM 글루코스를 넣어서 만든 연료 유체를 37℃로 유지시킨 후에 실시예 1에서 제조한 산화전극과 환원 전극을 연료 유체에 담가서 전압을 측정하고 외부 저항들을 걸어서 전압강하를 봄으로써 전류를 측정하였다. 대조군으로는 산화 알루미늄막 주형틀을 제외하고 동일한 조건으로 금을 코팅한 기판에 전기화학적으로 중합시켜 제작한 필름 전극을 동일한 연료 유체에 담가서 동일한 방법으로 전류를 측정하였다. 그 결과, 도 6(안의 그래프는 로그 스케일)에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노와이어의 직경이 200 nm 인 산화전극의 경우가 가장 큰 에너지 밀도와 전류 밀도를 보였다. 이는 실제적으로 효소와 포도당이 만나는 빈도수가 높아져서 생긴 효과라고 생각된다. 또한 80 nm의 직경을 지닌 나노와이어로 만든 산화전극의 경우에도 200 nm 크기의 나노선을 지닌 산화전극에서보다는 못 미치지만 필름형태의 전극보다 높게 나타났다. 더불어 실리콘 웨이퍼에 직접 알루미늄을 증착하여 알루미늄 판에서와 비슷한 방법으로 산화시켜서 만든 AAO에 성장시켜 만든 산화전극(80 nm 직경)에서 더 에너지 밀도가 낮게 나타났는데(80nm nanowire(Si-based)로 표시) 직접 성장한 나노선의 길이(0.5 ~ 1 μm)가 금속 페이스트로 붙여서 만든 나노선(30 ~ 40 μm)보다 작아서 전체 효소의 개수의 차이로 생기는 현상으로 보여진다. 그리고 OCV(open circuit voltage)의 경우에는 실리콘 웨이퍼에서 직접 성장한 나노선이 높게 나타났다. 이것은 전자의 이동이 실리콘 웨이퍼에서 직접 성장시킨 나노선이 좀더 쉬워서 전압 강하가 적게 일어나기 때문이다.After maintaining the fuel fluid made by adding 15 mM glucose to PBS solution (Phospate buffer saline solution) at 37 ° C., the anode and the cathode prepared in Example 1 were immersed in the fuel fluid, and the voltage was measured by applying external resistances. The current was measured by looking at. As a control, the current was measured in the same manner by immersing a film electrode prepared by electrochemical polymerization on a gold-coated substrate under the same conditions except for an aluminum oxide film template. As a result, as can be seen in Figure 6 (graph in the log scale), the case of the anode having a nanowire diameter of 200 nm showed the largest energy density and current density. In practice, this is thought to be due to the increased frequency of enzymes and glucose. In the case of an anode made of nanowires with a diameter of 80 nm, the electrode having a diameter of less than 200 nm was found to be higher than that of a film electrode. In addition, the energy density was lower at the anode (80 nm diameter) made by depositing aluminum directly on a silicon wafer and growing on AAO made by oxidizing in a similar manner as that of an aluminum plate (denoted as 80 nm nanowire (Si-based)). The length of the directly grown nanowires (0.5 to 1 μm) is smaller than the nanowires (30 to 40 μm) made by pasting metal pastes. In the case of OCV (open circuit voltage), nanowires grown directly on silicon wafers were high. This is because electron transfer is easier for nanowires grown directly on silicon wafers, resulting in less voltage drop.

또한, 유체 채널을 이용하여 동일한 연료 유체를 흘려주면서 위와 같은 전류를 측정하였다. 도 7은 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지를 예시적으로 보여주는 모식도이다. 그 결과, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지가 전극을 담가서 만든 효소 연료 전지에 비해 전체적으로 에너지 밀도와 전류 밀도가 높게 나타났다. 이는 유체 채널을 이용할 경우 연료로 사용되는 포도당의 농도와 환원전극에서 필요한 산소의 농도가 담가서 하는 경우보다 유지되고 또한 산소가 환원전극에서 소모되어서 산화전극 쪽에 산소로 인한 효율의 저하를 줄일 수 있기 때문에 도 8과 같은 결과를 얻을 수 있었다(안의 그래프는 로그 스케일). 하지만 전체적으로 OCV는 도리어 줄어드는 것을 볼 수 있었는데 연료가 유체 채널을 통해 흐르면서 연료 내의 이온분포가 달라져 생기는 현상으로 생각된다. 더불어 도 9는 유체 채널을 사용할 경우 시간에 따라 에너지 밀도의 유지 시간이 길어지는 것을 보여준다(로그 스케일).In addition, the same current was measured while flowing the same fuel fluid using the fluid channel. 7 is a schematic diagram illustrating an enzyme fuel cell using a fluid channel. As a result, as can be seen in Figure 8, the enzyme fuel cell using the fluid channel as a whole showed a higher energy density and current density than the enzyme fuel cell made by soaking the electrode. This is because when the fluid channel is used, the concentration of glucose used as fuel and the concentration of oxygen required at the reduction electrode are maintained, and oxygen is consumed at the reduction electrode, thereby reducing the decrease in efficiency due to oxygen at the anode. The same result as in Fig. 8 was obtained (the graph in the log scale). However, overall, OCV was found to be reduced, which is thought to be caused by a different ion distribution in the fuel as it flows through the fluid channel. In addition, FIG. 9 shows that the maintenance time of energy density increases with time when using a fluid channel (log scale).

환원전극도 산화전극처럼 나노선으로 제작할 경우 산소와 반응하여 물이 환원될 가능성이 높아지므로 좀 더 에너지 밀도와 전류 밀도의 향상을 가져오고 더불어 더 오랜 시간 동안 연료전지가 동작할 수 있을 것이라 기대 된다. When the anode is made of nanowires, like the anode, it is expected that water will be reduced by reacting with oxygen, resulting in more energy density and current density, and fuel cell operation for longer periods of time. .

도 1은 본 발명에 따른 나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 모식도이다.1 is a schematic diagram of an electrode including a nanowire array according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이다.2 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing an electrode according to the present invention.

도 3은 본 발명의 전극의 제조를 위해 사용된 나노와이어 어레이 제조용 주형의 단면(a), 이를 이용하여 합성된 나노와이어 어레이의 단면(b) 및 측면(c)을 보여주는 사진이다.Figure 3 is a photograph showing a cross-section (a) of the mold for preparing a nanowire array used for the production of the electrode of the present invention, a cross section (b) and a side (c) of the nanowire array synthesized using the same.

도 4는 나노와이어 어레이의 합성을 위한 전기화학적 중합 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram exemplarily illustrating an electrochemical polymerization process for synthesizing a nanowire array.

도 5는 나노와이어 어레이를 포함하는 산화전극과 나노와이어 어레이를 포함하는 환원전극을 포함하는 본 발명의 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram exemplarily illustrating an enzyme fuel cell of the present invention including an anode including a nanowire array and a cathode including a nanowire array.

도 6은 본 발명의 효소 연료 전지와 필름 형태의 전극을 구비한 효소 연료 전지의 전력 밀도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the results of measuring the power density of the enzyme fuel cell of the present invention and the enzyme fuel cell having a film-shaped electrode.

도 7은 본 발명에 따른 전극이 미세 유체 채널 내에 구비되어 있는 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating an enzyme fuel cell in which an electrode according to the present invention is provided in a microfluidic channel.

도 8은 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지가 전극을 담가서 만든 효소 연료 전지에 비해 전체적으로 에너지 밀도가 높게 나타남을 보여주는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing that an enzyme fuel cell using a fluid channel has a higher energy density as compared to an enzyme fuel cell made by soaking an electrode.

도 9는 유체 채널을 사용할 경우 시간에 따라 에너지 밀도의 유지 시간이 길어지는 것을 보여주는 그래프이다.9 is a graph showing that the maintenance time of energy density increases with time when the fluid channel is used.

Claims (15)

효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극으로서,An electrode comprising an array of nanowires containing an enzyme, a conductive polymer and an electron mediator, 상기 나노와이어 어레이는 효소, 전도성 고분자 및 전자매개체를 함유하는 전해질 용액의 전기화학적 중합을 통해 형성되는 것인 전극.The nanowire array is formed by electrochemical polymerization of an electrolyte solution containing enzymes, conductive polymers and electron mediators. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극은 산화전극으로 이용되는 것인 전극.The electrode is used as an anode electrode. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극은 환원전극으로 이용되는 것인 전극. The electrode is used as a reduction electrode. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 산화전극에 포함되는 효소는 글루코스 산화효소, 글로코스 탈수소효소, 알코올 산화환원 효소, 알데히드 탈수소효소, CH-CH 산화환원 효소, 아미노산 산화환원 효소, CH-NH 산화환원 효소, 락테이트 탈수소효소, 락토오스 탈수소효소, 피루베이트 탈수소효소, 포르메이트 탈수소효소 및 포름알데히드 탈수소효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소인 전극.Enzymes included in the anode are glucose oxidase, glycos dehydrogenase, alcohol redox enzyme, aldehyde dehydrogenase, CH-CH redox enzyme, amino acid redox enzyme, CH-NH redox enzyme, lactate dehydrogenase, An electrode which is at least one redox enzyme selected from the group consisting of lactose dehydrogenase, pyruvate dehydrogenase, formate dehydrogenase and formaldehyde dehydrogenase. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 환원전극에 포함되는 효소는 라카아제, 빌리루빈 산화효소, 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 및 퍼옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소인 전극.The enzyme included in the cathode is at least one redox enzyme selected from the group consisting of laccase, bilirubin oxidase, superoxide dismutase and peroxidase. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, 폴리플루오렌, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리테트라티아풀발렌, 폴리나프탈렌, 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(파라-페닐렌 비닐렌) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 전극. The conductive polymer is polypyrrole, polyacetylene, polyaniline, polythiophene, polysulfurtritride, polyfluorene, poly (3-alkylthiophene), polytetrathiafulvalene, polynaphthalene, poly (p-phenylene sulfide) , Poly (para-phenylene vinylene) and derivatives thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전자 매개체는 HQS(8-하이드록시퀴놀린-5-설폰산 하이드레이트), 퀴논계 화합물, 비타민 K3(2-메틸-1,4-나프토퀴논), 비오로겐계 화합물, 니코틴아미드계 화합물, 리보플라빈계 화합물, ABTS(2,2'-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설포네이트), Os, Ru, Fe 및 Co의 금속 착체(metal complex)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 전극.The electron mediators are HQS (8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate), quinone compounds, vitamin K3 (2-methyl-1,4-naphthoquinone), biorogen compounds, nicotinamide compounds, riboflavin System compound, ABTS (2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate), metal complex of Os, Ru, Fe and Co electrode. 금속이 코팅된 기판 상에 나노와이어 어레이 형성용 주형을 형성하고,Forming a mold for forming a nanowire array on a metal-coated substrate, 전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 준비하고,Preparing an electrolyte solution containing a conductive polymer, an electron mediator and an enzyme, 전기화학적 중합에 의해 상기 전해질 용액을 주형 내에서 중합한 후 주형을 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성하는 것을 포함하는Forming an electrode in the form of a nanowire array by polymerizing the electrolyte solution in a mold by electrochemical polymerization and then removing the mold. 제1항의 전극의 제조 방법. The manufacturing method of the electrode of Claim 1. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 기판은 실리콘, 유리 또는 고분자 폴리머로 이루어진 것인 제조 방법.The substrate is made of silicon, glass or polymer polymer. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 금속 산화물인 제조 방법.The manufacturing method for forming the nanowire array is a metal oxide having a pore of nano size. 제1항의 전극을 포함하는 효소 연료 전지.An enzyme fuel cell comprising the electrode of claim 1. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 효소 연료 전지는 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산을 포함하는 유기 화합물 중 하나 이상을 연료로 이용하는 것인 효소 연료 전지. The enzyme fuel cell is an enzyme fuel cell that uses at least one of organic compounds including sugars, carbohydrates, organic acids, alcohols, fatty acids, hydrocarbons, ketones, aldehydes, amino acids, proteins and nucleic acids as fuel. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 전극은 유체 채널 내에 구비되어 있는 것인 효소 연료 전지. The electrode is an enzyme fuel cell is provided in the fluid channel. 제11항의 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치.A living body implantation device comprising the enzyme fuel cell of claim 11. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 생체 이식 장치는 인공심박조율기, 신경 자극장치 또는 약물 전달 펌프, 생체 이식 센서 또는 나노로봇인 체내 이식 장치.The living body implantation device is an artificial pacemaker, a nerve stimulator or drug delivery pump, a living body implantation sensor or a nanorobot implantation device.
KR1020090001506A 2009-01-08 2009-01-08 Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array KR101084623B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090001506A KR101084623B1 (en) 2009-01-08 2009-01-08 Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090001506A KR101084623B1 (en) 2009-01-08 2009-01-08 Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100082151A KR20100082151A (en) 2010-07-16
KR101084623B1 true KR101084623B1 (en) 2011-11-17

Family

ID=42642352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090001506A KR101084623B1 (en) 2009-01-08 2009-01-08 Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101084623B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101922116B1 (en) * 2012-04-19 2018-11-26 삼성전자주식회사 Electrode for electrochemical capacitor and electrochemical capacitor including the electrode

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3005461B8 (en) * 2013-06-05 2018-12-26 Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways
KR101772727B1 (en) * 2013-06-10 2017-08-30 단국대학교 산학협력단 A method for regulation of cellular behaviors by applying electric stimulus based on enzymatic biofuel cell
CN103746135B (en) * 2014-02-18 2016-02-03 中国科学院长春应用化学研究所 Biological fuel cell and preparation method thereof
CN115148957B (en) * 2022-09-05 2022-12-20 楚能新能源股份有限公司 Polyaniline electrode with double-sided self-supporting structure and preparation method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050118494A1 (en) * 2003-12-01 2005-06-02 Choi Sung H. Implantable biofuel cell system based on nanostructures
WO2008000045A1 (en) 2006-06-30 2008-01-03 University Of Wollongong Nanostructured composites
EP2012121A1 (en) 2007-07-04 2009-01-07 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc. Enzyme electrode and enzyme sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050118494A1 (en) * 2003-12-01 2005-06-02 Choi Sung H. Implantable biofuel cell system based on nanostructures
WO2008000045A1 (en) 2006-06-30 2008-01-03 University Of Wollongong Nanostructured composites
EP2012121A1 (en) 2007-07-04 2009-01-07 Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc. Enzyme electrode and enzyme sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101922116B1 (en) * 2012-04-19 2018-11-26 삼성전자주식회사 Electrode for electrochemical capacitor and electrochemical capacitor including the electrode

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100082151A (en) 2010-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Wearable biofuel cells based on the classification of enzyme for high power outputs and lifetimes
US7709134B2 (en) Microfluidic biofuel cell
Yang et al. Miniaturized biological and electrochemical fuel cells: challenges and applications
Kashmery Ternary graphene@ polyaniline-TiO2 composite for glucose biofuel cell anode application
US7632600B2 (en) Enzyme electrode and method of producing the same
EP2343765A1 (en) Bioanodes for use in biofuel cells
CN101366137A (en) Enzymes immobilized in hydrophobically modified polysaccharides
KR101084623B1 (en) Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array
Chu et al. High-power, non-enzymatic glucose biofuel cell based on a nano/micro hybrid-structured Au anode
Slaughter et al. Fabrication of palladium nanowire array electrode for biofuel cell application
Zhao et al. High-power non-enzymatic glucose biofuel cells based on three-dimensional platinum nanoclusters immobilized on multiwalled carbon nanotubes
Fenga et al. Multiwalled carbon nanotubes to improve ethanol/air biofuel cells
JP5833123B2 (en) Direct mobile bio battery
Karajić et al. Enzymatic glucose-oxygen biofuel cells for highly efficient interfacial corrosion protection
Little et al. A novel enzymatic bioelectrode system combining a redox hydrogel with a carbon NanoWeb
Banerjee et al. A tattoo-like glucose abiotic biofuel cell
Zhiani et al. Ex vivo energy harvesting by a by-pass depletion designed abiotic glucose fuel cell operated with real human blood serum
Maleki et al. A Novel and Enhanced Membrane-Free Performance of Glucose/O 2 Biofuel Cell, Integrated With Biocompatible Laccase Nanoflower Biocathode and Glucose Dehydrogenase Bioanode
US11664504B2 (en) Hematin modified bilirubin oxidase cathode
Slaughter et al. Vertically aligned Pd nanowires for Glucose Oxidase Bioanode
Tutum et al. Fabrication of biofuel cell based on nanomaterial modified composite glassy carbon paste electrode
Kulkarni et al. An enzymatic glucose biofuel cell based on Au nano-electrode array
Khan et al. Producing Micro-Power with Microfluidic Enzymatic Biofuel Cells: A Comprehensive Review
JP5481822B2 (en) Enzyme electrode and fuel cell using the enzyme electrode
Konwar et al. Flexible biofuel cells: an overview

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160105

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161107

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee