KR101444802B1 - Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same - Google Patents

Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same Download PDF

Info

Publication number
KR101444802B1
KR101444802B1 KR1020130032454A KR20130032454A KR101444802B1 KR 101444802 B1 KR101444802 B1 KR 101444802B1 KR 1020130032454 A KR1020130032454 A KR 1020130032454A KR 20130032454 A KR20130032454 A KR 20130032454A KR 101444802 B1 KR101444802 B1 KR 101444802B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode electrode
fuel cell
microbial fuel
mfc
hydrogen
Prior art date
Application number
KR1020130032454A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
조무환
이진태
샤피어칼라틸
Original Assignee
영남대학교 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 영남대학교 산학협력단 filed Critical 영남대학교 산학협력단
Priority to KR1020130032454A priority Critical patent/KR101444802B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101444802B1 publication Critical patent/KR101444802B1/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
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • 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
    • 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

The present invention relates to a microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticles, and a method for manufacturing the same. The microbial fuel cell according to the present invention is capable of producing single crystalline metal nanoparticles having various shapes, and, by using the metal nanoparticles as catalysts, hydrogen can be produced without supply of external power source and oxygen.

Description

수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료 전지 및 이의 제조 방법 {Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticles, and a method for preparing the same.

본 발명은 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microbial fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles and a method of manufacturing the same.

미생물 연료전지(microbial fuel cell, 이하 MFC)는 전자방출 미생물 (exoelectrogen)에 의한 바이오매스(biomass)의 생체 산화작용을 통해 전기를 생산하는 장치이다. 일반적으로, 미생물의 산화 작용을 통해, 애노드 전극(산화 전극)에서 생성된 전자와 양성자는, 캐소드 전극(환원 전극)에서 산소와 결합함으로써 물을 생성한다. 그러나, 캐소드 전극에 산소가 존재하지 않는 경우에는, 열역학적 장벽 때문에, 전자와 양성자는 결합하여 수소를 생성할 수 없으므로, MFC는 전기를 생성할 수 없다. 그러므로, 캐소드 전극에서 수소를 생성하기 위해서는, 외부의 전력 공급이 필수적인데, 이는 미생물 전기분해 전지(microbial electrolysis cell, 이하 MEC) 라고 불린다.A microbial fuel cell (MFC) is a device that produces electricity through biooxidation of biomass by an electron-emitting microorganism (exoelectrogen). Generally, through the oxidation of microorganisms, electrons and protons generated in the anode electrode (oxidizing electrode) generate water by bonding with oxygen in the cathode electrode (reducing electrode). However, in the absence of oxygen in the cathode electrode, the MFC can not generate electricity because the electrons and the protons can not combine to produce hydrogen because of the thermodynamic barrier. Therefore, in order to generate hydrogen at the cathode electrode, external power supply is essential, which is called a microbial electrolysis cell (MEC).

MEC는 바이오매스로부터 수소를 생성하기 위해 최근에 생겨난 기술로서, MEC의 애노드 전극에서의 과정은 MFC와 비슷하나, 캐소드 전극에서의 과정은 물 전해조와 비슷하다. MEC의 경우, 캐소드 전극에서의 음전위(negative potential) 로 인하여, 반응이 자발적으로 발생하지 않기 때문에, 반응을 자발적으로 발생시키기 위해서는, 이론치인 ~ 0.114 V(실용치 ~ 0.25 V)의 추가 전압이 요구된다. 이 추가 전압은 물 전기분해를 위해 요구되는 이론치인 1.2 V 보다 훨씬 낮다. 그러나, 높은 수소 생성 비율과 가격 효율적인 캐소드 전극 물질을 가지는 MEC 시스템에 있어서 에너지 입력을 낮추는 것은, 이 기술의 실용적인 응용을 위한 도전적인 문제가 될 것이다. MEC is a recent technology for producing hydrogen from biomass. The process at the anode electrode of the MEC is similar to that of MFC, but the process at the cathode electrode is similar to that of the water electrolytic cell. In the case of MEC, since the reaction does not occur spontaneously due to the negative potential at the cathode electrode, in order to generate the reaction spontaneously, an additional voltage of ~ 0.114 V (practical value ~ 0.25 V) do. This additional voltage is well below the theoretical 1.2 V required for water electrolysis. However, lowering the energy input in a MEC system with a high hydrogen production rate and a cost-effective cathode electrode material will be a challenging issue for practical application of this technology.

벌크(bulk)한 금은 불활성 물질이며, 오랜 시간 동안 주기율표의 신데렐라로 간주되어 왔다. 그러나, 금 나노 입자는, 훌륭한 촉매로 여겨져 왔다. 촉매작용, 광학, 전자공학, 생물 의학 분야에서의 잠재적인 응용성 때문에, 금 나노 입자의 생산은 큰 관심을 받아왔다. 그러나, 금 나노 입자의 합성은 복잡할 뿐 아니라, 씨앗 성장 과정(seed growth process)이나 구형에서 삼각형으로의 형태 변화를 요구하기도 한다. 수소붕소나트륨(sodium borohyride) 같은 다양한 환원제를 이용하는 화학적 방법이, 금 나노 입자의 일반적인 합성 방법이나, 이 방법은 많은 화학 물질과 엄격한 반응 조건을 필요로 한다. 또한, 박테리아와 균류를 포함하는 많은 미생물들이 금속 나노 입자를 합성하기 위한 나노 공장(nano-factories)이 될 수 있음이 밝혀져 왔다. 그러나, 이 합성의 대부분은 세포 내에서 이루어지기 때문에, 나노 입자를 분리하는데 있어서 어려움을 가진다.Bulk gold is an inert material and has long been regarded as the Cinderella of the periodic table. However, gold nanoparticles have been regarded as excellent catalysts. Due to potential applications in catalysis, optics, electronics, and biomedical applications, the production of gold nanoparticles has received great interest. However, the synthesis of gold nanoparticles is not only complicated, but also requires a seed growth process or a morphological change from spherical to triangular. Chemical methods using various reducing agents such as sodium borohydride are common synthetic methods for gold nanoparticles, but this method requires many chemicals and stringent reaction conditions. It has also been found that many microorganisms, including bacteria and fungi, can be nano-factories for synthesizing metal nanoparticles. However, since most of this synthesis takes place in cells, it has difficulties in separating nanoparticles.

최근에, 본 발명자들은 전기화학적으로 활성된 생물막이 금속과 금속 나노 복합재료의 세포외 합성을 위해 이용될 수 있음을 보여주었다. 금 나노 입자는 양자화된 충전 효과(quantized charging effect)를 포함하는 다양한 독특한 성질을 보여주며, 이는 양자화된 콘덴서 충전(quantized capacitance charging) 에 대한 Murray의 선구적인 작업 이후로, 광범위하게 연구되어 왔다. 그 양자화된 충전은 고전적인 쿨롬 계단식 충전(coulomb staircase charging)과 유사하다. 이 양자화된 충전 현상에 대한 대부분의 연구들은 유기 매체 안에서 수행되어 왔으나, 수성 환경에서는 거의 발표되지 않았다.Recently, the present inventors have shown that an electrochemically activated biofilm can be used for extracellular synthesis of metal and metal nanocomposite materials. Gold nanoparticles exhibit a variety of unique properties including quantized charging effects, which have been extensively studied since Murray's pioneering work on quantized capacitance charging. The quantized charge is similar to the classic coulomb staircase charging. Most of the studies on this quantized charge phenomenon have been performed in organic media, but rarely in aqueous environments.

본 발명자들은 외부 전력 및 산소 공급 없이도, 수소 및 금속 나노 입자의 제조 방법에 대해 탐색하던 중, 미생물 연료전지를 이용해 수소 및 금속 나노 입자를 생성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have discovered that hydrogen and metal nanoparticles can be produced using a microbial fuel cell while searching for a method for producing hydrogen and metal nanoparticles without supplying external power and oxygen.

따라서, 본 발명은 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a microbial fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 미생물 연료전지를 이용한 수소 및 금속 나노 입자의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a method for producing hydrogen and metal nanoparticles using the microbial fuel cell.

본 발명은 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 상기 미생물 연료전지를 이용한 수소 및 금속 나노 입자의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing hydrogen and metal nanoparticles using the microbial fuel cell.

본 발명에 따른 미생물 연료 전지는, 다양한 형상을 갖는 단결정질 금속 나노 입자를 생성할 수 있으며, 상기 금속 나노 입자를 촉매로 하여, 외부 전력 및 산소 공급 없이 수소를 생성할 수 있는 효과가 있다.The microbial fuel cell according to the present invention can produce monocrystalline metal nanoparticles having various shapes and can generate hydrogen without supplying external power and oxygen using the metal nanoparticles as a catalyst.

도 1은 미생물 연료 전지(MFC)의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 MFC-2의 전력밀도를 나타낸 도이다.
도 3은 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 4는 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자의 TEM 이미지를 나타낸 도이다,
도 5는 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자의 SAED 무늬를 나타낸 도이다.
도 6은 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 수소의 양을 도시한 도이다.
도 7은 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자 DPV 측정결과를 나타낸 도이다.
1 schematically shows the structure of a microbial fuel cell (MFC).
2 is a graph showing the power density of MFC-2.
FIG. 3 is a diagram showing the UV-Vis spectrum of the gold nanoparticles generated in the MFC-2 cathode electrode part.
4 is a TEM image showing the gold nanoparticles generated in the MFC-2 cathode electrode portion.
FIG. 5 is a view showing a SAED pattern of gold nanoparticles generated in the MFC-2 cathode electrode portion. FIG.
6 is a graph showing the amount of hydrogen generated in the MFC-2 cathode electrode portion.
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of the gold nanoparticle DPV produced in the MFC-2 cathode electrode portion.

본 발명은The present invention

1) 챔버(chamber); 상기 챔버의 내부에 서로 대항하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이를 연결한 외부 도선; 활성 미생물 및 유기물을 포함하는 애노드 전극부; 완충액을 포함하며 외부로부터 공기를 공급받는 캐소드 전극부; 및 상기 챔버를 애노드 전극부와 캐소드 전극부로 분리하는 양이온 교환막; 을 포함하는 미생물 연료전지를 제조하는 단계; 및1) a chamber; An anode electrode and a cathode electrode disposed inside the chamber in opposition to each other; An external lead connecting the anode electrode and the cathode electrode; An anode electrode portion including an active microbe and an organic substance; A cathode electrode portion including a buffer solution and supplied with air from the outside; And a cation exchange membrane for separating the chamber into an anode electrode portion and a cathode electrode portion; Preparing a microbial fuel cell comprising the microbial fuel cell; And

2) 상기 1)단계의 미생물 연료전지가 30 ~ 50 mW/m2 의 전력 밀도를 가진 이후, 상기 캐소드 전극부의 완충액을 금속 전구물질을 포함하는 용액으로 치환하는 단계; 를 포함하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
2) replacing the buffer solution of the cathode electrode part with a solution containing a metal precursor after the microbial fuel cell of step 1) has a power density of 30 to 50 mW / m 2 ; The present invention provides a method for producing a microorganism fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles.

이하 본 발명의 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법에 대하여 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a microorganism fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 미생물 연료전지(MFC)는 투 챔버형으로 애노드 전극부와 캐소드 전극부로 제작된다. 도 1은 투 챔버형 미생물 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 미생물 연료 전지(100)는 애노드 전극(110), 캐소드 전극(120), 외부 저항을 포함하는 외부 도선(165), 애노드 전극부(160), 캐소드 전극부(130), 양이온 교환막(140) 및 활성 미생물(150)을 포함한다.The microbial fuel cell (MFC) according to the present invention is fabricated as an anode electrode unit and a cathode electrode unit in a two-chamber type. 1 schematically shows the structure of a two-chamber type microbial fuel cell. 1, the microbial fuel cell 100 according to the present invention includes an anode 110, a cathode 120, an external lead 165 including an external resistor, an anode electrode 160, A cation exchange membrane 140, and an active microorganism 150, as shown in FIG.

상기 1)단계에서 제조된 미생물 연료전지(MFC)는 미생물 연료전지-1 (MFC-1)이라 한다.The microbial fuel cell (MFC) produced in the step 1) is referred to as a microbial fuel cell-1 (MFC-1).

상기 2)단계에서 제조된 미생물 연료전지(MFC)는 미생물 연료전지-2 (MFC-2)이라 한다.The microbial fuel cell (MFC) produced in the step 2) is referred to as a microbial fuel cell-2 (MFC-2).

상기 1)단계에서 상기 애노드 전극(110)과 캐소드 전극(120)은 도전성 기재를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 또는 금속천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는 애노드 전극(110)의 경우 카본 페이퍼를 포함하고, 캐소드 전극(120)의 경우 백금(Pt) 촉매가 코팅된 카본 페이퍼를 포함하는 것이 바람직하다.In step 1), the anode 110 and the cathode 120 may be formed of a conductive material. Examples of the conductive material include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal Cloth can be used, but is not limited thereto. In the present invention, it is preferable that the anode electrode 110 includes carbon paper, and the cathode electrode 120 includes carbon paper coated with a platinum (Pt) catalyst.

상기 외부 도선(165)은 외부 저항이 500~1500Ω 인 구리배선일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The external wire 165 may be a copper wire having an external resistance of 500 to 1500 OMEGA, but is not limited thereto.

상기 1)단계에서 애노드 전극부(160)는 활성미생물(150) 및 유기물을 포함한다. 상기 활성 미생물(150)은 유기물을 연료로 사용하여, 연료 소비에 따른 산화력을 캐소드 전극반응에 이용하여 전류를 생성시킬 수 있는 미생물이라면 모두 사용할 수 있는 것이다. 일례로, 상기 활성미생물(150)은 로도퍼락스 페리레두센스 (Rhodoferax ferrireducens), 쉬와넬라 푸트레파시엔스 (Shewanella putrefaciens), 지오박터라세에 설퍼레두센스 (Geobacteraceae sulfurreducens), 지오박터 메탈리레두센스 (Geobacter metallireducens) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 미생물 또는 혼합 균주일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 즉 통상적인 연료전지에 사용되는 미생물은 모두 사용할 수 있는 것이다.In the step 1), the anode electrode unit 160 includes the active microbe 150 and organic matter. The active microorganism 150 can be any microorganism capable of generating an electric current by using an organic substance as a fuel and using oxidative power according to fuel consumption for cathode electrode reaction. For example, the active microorganism 150 may be selected from the group consisting of Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, Geobacteraceae sulfurreducens, But is not limited to, one or more microorganisms or mixed strains selected from the group consisting of Geobacter metallireducens. That is, all the microorganisms used in conventional fuel cells can be used.

상기 1)단계에서 캐소드 전극부(130)의 완충액은 인산염 완충액으로 채워지며, 수조 막 펌프를 이용하여 80 ~ 130 mL로 계속적으로 공기가 폭기되는 것이 바람직하다.In the step 1), the buffer solution of the cathode electrode part 130 is filled with the phosphate buffer solution, and it is preferable that the air is continuously aerated to 80 to 130 mL by using the tank membrane pump.

상기 1)단계에서 애노드 전극부(160)는 pH는 6 ~ 8 로 조절되며, 존재하는 산소를 제거하기 위하여 질소가 폭기되는 것이 바람직하다. 이를 구제적으로 설명하면, 애노드 전극부(160)에서는 유기물의 분해를 통해 전자(e-)와 양성자(H+)가 공급되기 때문에 혐기성 조건을 유지하기 위하여 질소 폭기와 같은 방법으로 산소의 농도를 가능한 최대로 낮추는 것이 중요하다.In step 1), the pH of the anode electrode unit 160 is adjusted to 6 to 8, and nitrogen is preferably aerated to remove the oxygen present. Since the electrons (e - ) and protons (H + ) are supplied through the decomposition of organic matter in the anode electrode unit 160, the concentration of oxygen is maintained in the same manner as nitrogen aeration to maintain anaerobic conditions. It is important to lower it to the maximum possible.

상기 1)단계에서 양이온 교환막(140)은 상기 애노드 전극부(160)와 캐소드 전극부(130) 사이에 배치되고 나피온 (Nafion) 막이 사용되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the step 1), the cation exchange membrane 140 is disposed between the anode electrode unit 160 and the cathode electrode unit 130 and a Nafion membrane is used. However, the present invention is not limited thereto.

상기 1)단계에서 제조된 미생물 연료 전지로부터 30~50 mW/m2 의 안정적인 전력 밀도를 생산하는 것이 바람직하다. 이를 구체적으로 설명하면, 애노드 전극부(160)에 있는 슬러지를 포함한 폐수 내에 존재하는 활성미생물(150)은 유기물을 분해함으로써 전자(e-)와 양성자(H+)를 발생시키고, 생성된 전자(e-)와 양성자(H+)는 캐소드 전극부(130)에 공급되는 산소(O2)와 반응하여 물(H2O)을 생성시킴으로써 지속적으로 전력을 생산할 수 있다.It is preferable to produce a stable power density of 30 to 50 mW / m 2 from the microbial fuel cell produced in the step 1). Specifically, the active microorganism 150 present in the wastewater containing the sludge in the anode electrode unit 160 generates electrons e - and protons H + by decomposing the organic matter, e -) and protons (H +) may continue to produce power by reacts with oxygen (O 2) supplied to the cathode electrode 130 to produce water (H 2 O).

상기 2)단계에서 금속 전구 물질을 포함하는 용액은 HAuCl4을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 금속은 Au, Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Co, Rh 및 Ir 으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속일 수 있으나 이에 한정하지 않는다.The solution containing the metal precursor in the step 2) may include HAuCl 4 , but is not limited thereto. The metal may include Au, Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Co, But it is not limited thereto.

상기 2)단계에서 캐소드 전극부(130)는 무산소 상태로 유지하는 것이 바람직하다. 이를 구체적으로 설명하면, 애노드 전극부(160)에서 발생한 전자(e-)와 양성자(H+)는 각각 외부도선(165) 및 양이온 교환막(140)을 통해 캐소드 전극부(130)로 이동하고, 캐소드 전극부(130)에서 생성된 금속 나노 물질과 반응하여 산소의 공급 없이 수소(H2)를 생성할 수 있기 때문이다.In the step 2), it is preferable that the cathode electrode unit 130 is maintained in an anoxic state. Specifically, electrons (e - ) and protons (H + ) generated in the anode electrode unit 160 move to the cathode electrode unit 130 through the external conductor 165 and the cation exchange membrane 140, respectively, This is because hydrogen (H 2 ) can be generated without supplying oxygen by reacting with the metal nanomaterials generated in the cathode electrode unit 130.

상기 2)단계에서 캐소드 전극(120)은 스테인레스 강을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.In the step 2), the cathode electrode 120 may include stainless steel, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조되는 미생물 연료 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a microbial fuel cell produced by the above production method.

또한, 본 발명은 상기 미생물 연료전지를 이용한 수소 및 금속 나노 입자의 제조 방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for producing hydrogen and metal nanoparticles using the microbial fuel cell.

본 발명에 따른 미생물 연료전지를 이용해 생성된 금 나노 입자들은 TEM 분석에 의하여 구형, 육각형, 공동형, 삼각형, 절단된 삼각형, 피라미드형, 보트형, 오각 막대기형, 샌드위치형 및 손가락 구조와 같은 다양한 형태를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 또한 생성된 금 나노 입자들은 촉매로써 작용해 수소 및 전기를 생성하는 것을 확인할 수 있다.
The gold nanoparticles produced using the microbial fuel cell according to the present invention can be formed into a variety of shapes such as spherical, hexagonal, convex, triangular, cut triangular, pyramid, boat, pentagonal rod, sandwich, And the like. It is also confirmed that the generated gold nanoparticles act as a catalyst to generate hydrogen and electricity.

본 발명에 따른 미생물 연료 전지는, 다양한 형상을 갖는 단결정질 금속 나노 입자를 생성할 수 있으며, 상기 금속 나노 입자를 촉매로 하여, 외부 전력 및 산소 공급 없이 수소를 생성할 수 있는 효과가 있다.
The microbial fuel cell according to the present invention can produce monocrystalline metal nanoparticles having various shapes and can generate hydrogen without supplying external power and oxygen using the metal nanoparticles as a catalyst.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 미생물 연료전지(MFC) 의 제조방법Example 1. Method for producing microbial fuel cell (MFC)

미생물 연료전지(MFC)는 투 챔버형으로 제작되었다. MFC-1은 카본페이퍼 전극 (2cm x 4cm)을 가진 2개의 유리병(애노드 전극부와 캐소드 전극부, 각각 200 mL)으로 구성되었다. 캐소드 전극은 Pt 촉매(0.5 mg Pt/cm2)로 코팅되었다. 그 병들은, 고무 개스킷이 있는 2개의 유리 튜브 (내부 지름 = 1.3 cm)의 납작한 끝부분들 사이에 있는 2개의 클램프에 의해 연결되었다. 애노드 전극과 캐소드 전극을 분리하기 위하여 양이온 교환막이 유리 튜브의 납작한 끝부분들 사이에 위치되었다. 그 전극들은 카본 페이스트로 감싸인 ~1000Ω외부저항을 가진 구리배선으로 연결되었다. MFC의 애노드 전극부는 전자 주게 (1 g/L)로서 초산나트륨을 이용하는 인공 폐수로 채워졌다. 또한, 무기물 염 매체(MSM)가 그 애노드 매체에 첨가되었고, 활성미생물을 포함하는 10 mL의 혐기성 슬러지는 로도퍼락스 페리레두센스 (Rhodoferax ferrireducens), 쉬와넬라 푸트레파시엔스 (Shewanella putrefaciens), 지오박터라세에 설퍼레두센스 (Geobacteraceae sulfurreducens), 지오박터 메탈리레두센스 (Geobacter metallireducens) 와 같은exoelectrogens을 포함) 가 추가되었다. 그 애노드 전극부 (애노드 pH ~7.4)내에 있는 모든 존재하는 산소를 제거하기 위하여, 10분동안 질소가 폭기되었다. 캐소드 전극부는 인산염 완충액 (50 mL)으로 채워졌고, 수조 막 펌프를 이용하여 계속적으로 공기 (110 mL /min)가 폭기되었다. 또한 그 캐소드 전극부는 자석 교반기속에서 유지되었다. MFC-1으로부터 30 ~ 50 mW/m2 의 안정적인 전압을 얻은 후에, 캐소드 전극부는 1mM HAuCl4·3.6 H2O (금 전구물질) 용액으로 대체되었고 (부피 = 200 mL, pH ~3), Pt 코팅된 카본페이퍼는 스테인레스 강 철망 (2cm x 4cm)으로 대체되었다 (MFC-2). 또한, MFC-2에서 캐소드 전극부에 산소 공급은 중단되었고, 캐소드 전극부는 수소를 생성하기 위하여 무산소 상태로 유지되었다. 모든 실험은 3회 반복 실시되었다.The microbial fuel cell (MFC) was fabricated as a two chamber type. MFC-1 consisted of two glass bottles (anode electrode and cathode electrode, 200 mL each) with carbon paper electrodes (2 cm x 4 cm). The cathode electrode was coated with a Pt catalyst (0.5 mg Pt / cm 2 ). The bottles were connected by two clamps between the flat ends of two glass tubes (inner diameter = 1.3 cm) with rubber gaskets. A cation exchange membrane was positioned between the flat ends of the glass tube to separate the anode and cathode electrodes. The electrodes were connected to a copper wire with ~ 1000 Ω external resistance wrapped in carbon paste. The anode electrode portion of the MFC was filled with artificial wastewater using sodium acetate as the electron donor (1 g / L). In addition, inorganic salt medium (MSM) was added to the anode medium, and 10 mL of anaerobic sludge containing active microorganisms was treated with Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, (Including exoelectrogens such as Geobacteraceae sulfurreducens and Geobacter metallireducens) have been added. Nitrogen was aerated for 10 minutes to remove all existing oxygen in the anode electrode portion (anode pH ~ 7.4). The cathode portion was filled with phosphate buffer (50 mL), and air (110 mL / min) was continuously aerated using a tank membrane pump. And the cathode electrode portion was maintained in the magnet stirrer. After obtaining a stable voltage of 30 to 50 mW / m 2 from MFC-1, the cathode electrode portion was replaced with a 1 mM HAuCl 4 .6H 2 O (gold precursor) solution (volume = 200 mL, pH ~ 3) The coated carbon paper was replaced with a stainless steel wire mesh (2 cm x 4 cm) (MFC-2). Also, in MFC-2, the supply of oxygen to the cathode electrode portion was stopped, and the cathode electrode portion was maintained in an oxygen-free state to generate hydrogen. All experiments were repeated three times.

본 발명에 따른 미생물 연료전지(MFC)의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었다.
The schematic structure of a microbial fuel cell (MFC) according to the present invention is shown in Fig.

실험예 1. 외부 전력 및 산소 공급 없이, 생성된 금 나노 입자들을 촉매로 하여 생성된 MFC-2의 전력밀도 측정Experimental Example 1. Measurement of power density of MFC-2 produced by using the produced gold nanoparticles as a catalyst without external power and oxygen supply

외부 저항에 걸린 전압을 디지털 멀티미터(Agilent 3445A, 미국)를 통해 10분 간격으로 측정하였다. 전력 밀도는 가변 저항 상자(variable resistance box)을 이용하여 외부 저항을 변경함으로써 계산되었고, 전력 (P)은 P = IV (I = 전류, V=전압)으로 계산된 후, 애노드 전극의 표면적에 의해 표준화되었다.The voltage across the external resistors was measured at 10 minute intervals via a digital multimeter (Agilent 3445A, USA). The power density was calculated by varying the external resistance using a variable resistance box and the power P was calculated by P = IV (I = current, V = voltage) and then by the surface area of the anode electrode Standardized.

MFC-1 에서 활성 미생물의 산화 작용에 의해 30 ~ 50 mW/m2 의 안정적인 전력이 생성되었다. 이후, 산소의 공급을 중단한 상태에서, MFC-2에서 생성된 전력을 측정하였다. MFC-2에서 생성된 금 나노 입자들을 촉매로 사용하여 산화-환원반응을 통해 생성된 MFC-2의 전력 밀도를 도 2에 나타내었다.Stable power of 30-50 mW / m 2 was produced by the oxidation of active microorganisms in MFC-1. Thereafter, the power generated in the MFC-2 was measured while the supply of oxygen was stopped. The power density of MFC-2 produced by oxidation-reduction reaction using gold nanoparticles generated from MFC-2 as a catalyst is shown in FIG.

도 2에 나타난 바와 같이, MFC-2는 10시간 작동 후에, ~ 42 mW/m2 의 안정적인 전력 밀도를 생성하였다. 초기에, MFC-2는 1.4 V의 개회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 을 가진, 0. 45 V의 전압을 보여주었다. MFC-2가 작동될 때, 초기단계에서 캐소드 전극부안에는 막대한 양의 금 3가이온 (Au3+) 이 존재하였다. Au3+/ Au0 의 표준 환원 전위는 +1.5 V 이다. 그 높은 환원 전위는 MFC-2 작동의 초기 단계에서, 높은 OCV의 원인이 된다. 금의 환원 반응이 진행함에 따라, OCV와 전압은 점차로 감소하기 시작하고, 캐소드 전극부에서는 금 나노 입자들이 생성된다. MFC-2의 10시간 작동 후에, 각 전극의 개회로 전위(OCP)를 보면, 캐소드 전위는 0.94 V 에서 0.26 V 로 감소하는 반면에, 애노드 전위는 거의 변화가 없다. 따라서, 캐소드 전위에서의 환원이 OCV 감소에 대한 주요 원인으로 볼 수 있었다. 그 MFC-2는 10시간 작동후에, ~ 42 mW/m2 의 안정적인 전력 밀도를 생성하였고, 이는 금 환원이 끝났음을 보여준다. 그것은 한달 이상으로 안정적으로 유지되었다. 전기 생산에 대한 쿨롬 효율은 62.4 %로 측정되었다.
As shown in Figure 2, MFC-2 produced a stable power density of ~ 42 mW / m < 2 > after 10 hours of operation. Initially, MFC-2 showed a voltage of 0.45 V, with an open circuit voltage (OCV) of 1.4 V. When MFC-2 was operated, a large amount of gold trivalent ions (Au 3+ ) were present in the cathode electrode portion in the initial stage. The standard reduction potential of Au 3+ / Au 0 is +1.5 V. The high reduction potential causes high OCV in the early stages of MFC-2 operation. As the gold reduction reaction proceeds, the OCV and the voltage gradually start to decrease, and gold nanoparticles are generated at the cathode electrode portion. After 10 hours of operation of MFC-2, the open-circuit potential (OCP) of each electrode decreases from 0.94 V to 0.26 V, while the anode potential remains almost unchanged. Thus, reduction at the cathode potential could be seen as a major cause of OCV reduction. The MFC-2 produced a stable power density of ~ 42 mW / m 2 after 10 hours of operation, indicating that gold reduction is over. It remained stable over a month. Coulomb efficiency for electricity production was measured as 62.4%.

실험예 2. MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 UV-Vis 스펙트럼Experimental Example 2: UV-Vis spectra of gold nanoparticles produced in the MFC-2 cathode electrode portion

MFC-2 캐소드 전극부에서 금 나노 입자들의 생성을 확인하기 위해, UV-Vis 분광기 (UV-1800, Shimadzu, 일본)을 사용하여 UV-Vis 스펙트럼을 측정하였다. 시간의 증가에 따른 생성된 금 나노 입자의 흡광도가 측정되었다. MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 UV-Vis 스펙트럼을 도 3에 나타내었다.UV-Vis spectra were measured using a UV-Vis spectrometer (UV-1800, Shimadzu, Japan) to confirm the formation of gold nanoparticles at the MFC-2 cathode electrode. The absorbance of the generated gold nanoparticles with increasing time was measured. The UV-Vis spectra of the gold nanoparticles produced at the MFC-2 cathode electrode portion are shown in FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, 금 나노 입자의 생성은, MFC-2캐소드 용액 안에서 루비 색깔이 나타남에 의해 관찰되었다. 도 3은 금 나노 입자에 비례하는, 약 550 nm 근처에서 하나의 피크를 보여주었다. 그 피크는 시간에 따라 증가하나, MFC-2 의 10시간 작동 후에는 더 이상의 증가는 보이지 않았다. 그것으로 Au3+ 이온들이 완전히 환원되었음을 보여주었다. 또한 더 높은 파장에서의 흡광도도 시간에 따라 증가하는데, 그것은 금 나노 입자가 비등방성이기 때문임을 보여준다.
As shown in Fig. 3, the generation of gold nanoparticles was observed by the appearance of ruby color in the MFC-2 cathode solution. Figure 3 shows one peak near about 550 nm, which is proportional to gold nanoparticles. The peak increased with time, but no further increase after 10 hours of operation of the MFC-2. It showed that the Au 3+ ions were completely reduced. Also, the absorbance at higher wavelengths increases with time, indicating that the gold nanoparticles are anisotropic.

실험예 3. MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 TEM 이미지Experimental Example 3 TEM image of gold nanoparticles generated at the MFC-2 cathode electrode portion

생성된 금 나노 입자들의 형태는 에너지 분산 X-ray(energy dispersive X-ray, EDX)를 가진, 고분해능 투과 전자 현미경(high resolution transmission electron microscope, HRTEM; Tecnai G2F20, 미국)에 의하여 측정되었다. 또한 생성된 금 나노 입자들의 결정성이 선택 영역 전자 회절 (selected area electron diffraction, SAED) 무늬에 의해 분석되었다. The morphology of the gold nanoparticles was measured by a high resolution transmission electron microscope (HRTEM; Tecnai G2F20, USA) with energy dispersive X-ray (EDX). The crystallinity of the generated gold nanoparticles was also analyzed by selected area electron diffraction (SAED) pattern.

MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 TEM 측정결과를 도 4에 나타내었고, SAED 측정결과를 도 5에 나타내었다..The TEM measurement results of the gold nanoparticles generated at the MFC-2 cathode electrode portion are shown in FIG. 4, and the SAED measurement results are shown in FIG.

도 4에 나타난 바와 같이, MFC-2캐소드 전극부에 생성된 금 나노 입자들의 TEM 이미지들은 구형, 육각형, 공동형, 삼각형, 절단된 삼각형, 피라미드형, 보트형, 오각 막대기형, 샌드위치형 및 손가락 구조와 같은 다양한 형태를 보여주었다. As shown in FIG. 4, the TEM images of the gold nanoparticles generated in the MFC-2 cathode electrode portion can be formed into a rectangular shape, a hexagonal shape, a hollow shape, a triangular shape, a cut triangle, a pyramid shape, a boat shape, a pentagonal bar shape, Structure and so on.

또한, 도 5에 나타난 바와 같이, SAED측정 결과는 생성된 금 나노 입자들이 자연상태에서 단결정질로 이루어져 있음을 보여주었다. Also, as shown in FIG. 5, SAED measurement results showed that the gold nanoparticles produced were composed of monocrystals in a natural state.

MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들이, 다양한 형상을 가지며 비등방성으로 성장하는 이유는, 금 원자핵에 근접해 있는 수소의 부분압력의 차이에서 비롯되었음을 알 수 있다. 즉, 생성된 금 나노 입자들은 불안정한 표면 에너지를 가지는데, 이를 감소시키기 위해서, 생성된 금 나노 입자들의 표면 위에 수소가 흡착됨으로써, 표면 패시베이션(passivation)을 통한 표면 안정화를 이루기 때문이다. 밀도 함수 이론(DFT) 계산은 금 나노 입자들과 수소간의 상호 작용이 금 나노 입자들의 구조에 급격한 변화를 줄 수 있다는 것을 보여주었다. 그 DFT 계산에서, 수소 분자들이 금 나노 입자 용액을 통과할 때, 수소 분자들이 금 나노 입자의 [111] 표면에 선호적으로 흡착된다는 것을 보여주었다. 그렇기 때문에, 다양한 형태의 금 나노 입자들이 생성되는 이유는 금 나노 입자와 수소와의 상호 작용으로 인하여 금 나노 입자 표면이 선택적으로 안정화되기 때문인 것으로 알 수 있다. 이렇게 구형이 아닌 다양한 형태를 갖는 생성된 금 나노 입자들은, 그들의 독특한 광학성질, 촉매 또는 전기적 성질 때문에, 암 진단과 치료방법에서 중요한 역할을 할 것으로 추측된다.
It can be seen that the reason that the gold nanoparticles generated in the MFC-2 cathode electrode part have various shapes and grows anisotropically is due to the difference in the partial pressure of hydrogen near the gold nucleus. In other words, the generated gold nanoparticles have unstable surface energy. In order to reduce the surface energy, hydrogen is adsorbed on the surface of the generated gold nanoparticles, thereby achieving surface stabilization through surface passivation. Density Functional Theory (DFT) calculations have shown that the interaction between gold nanoparticles and hydrogen can make a dramatic change in the structure of gold nanoparticles. In the DFT calculations, it was shown that when hydrogen molecules pass through a gold nanoparticle solution, hydrogen molecules are preferentially adsorbed on the [111] surface of gold nanoparticles. Therefore, the reason that various types of gold nanoparticles are produced is that the surface of gold nanoparticles is selectively stabilized due to the interaction between gold nanoparticles and hydrogen. The resulting gold nanoparticles having various non-spherical shapes are believed to play an important role in cancer diagnosis and treatment methods due to their unique optical properties, catalysts, or electrical properties.

실험예 4. MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 전기적 성질Experimental Example 4: Electrical Properties of Gold Nanoparticles Generated in MFC-2 Cathode Electrode

MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 전기적 성질이 제타 전위(zeta potential) 분석으로 측정하였다. 제타 전위는 DeltaTM Nano zeta potential (Beckman Coulter, 미국)을 사용하여, 전기 영동이동도(electrophoretic mobility)을 결정함으로써 계산되었다.The electrical properties of the gold nanoparticles generated at the MFC-2 cathode electrode portion were measured by zeta potential analysis. The zeta potential was calculated by determining the electrophoretic mobility using a Delta TM Nano zeta potential (Beckman Coulter, USA).

제타 전위 분석은 생성된 금 나노 입자들이 양 충전(+33±2 mV)상태이고, 그 양 충전은 금 나노 입자들의 표면 위에 양성자가 흡착된 것이기 때문이다.
The zeta potential analysis shows that the generated gold nanoparticles are fully charged (+ 33 ± 2 mV), and their charge is that the protons are adsorbed on the surface of the gold nanoparticles.

실험예 5. MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 수소의 양 측정Experimental Example 5. Measurement of the amount of hydrogen produced in the MFC-2 cathode electrode portion

MFC-2 에서 생성된 수소의 양은 주사기(syringe)내의 압력이 대기압과 평형을 이룰 때까지, 유리 주사기(glass syringe, 20 mL 용량)속으로 가스 압력을 흡입하여 측정하였다. 가스 안에 있는 수소의 체적 분율(volumetric fraction)은 가스 크로마토그래피 (GC5890, 미국)에 의해 측정되었다. The amount of hydrogen produced in MFC-2 was measured by inhalation of gas pressure into a glass syringe (20 mL capacity) until the pressure in the syringe equilibrated with atmospheric pressure. The volumetric fraction of hydrogen in the gas was measured by gas chromatography (GC5890, USA).

MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 수소의 양을 측정한 결과를 도 6에 나타내었다. The results of measurement of the amount of hydrogen produced in the MFC-2 cathode electrode portion are shown in FIG.

도 6에 나타난 바와 같이, 가스 크로마토그래피 분석은 상당한 수소가 MFC-2캐소드 전극부에서 생성되었음을 보여주었다. 그 수소 생성속도는1.5 mL/h 로 측정되었고, 수소 수율은 0.69 mL H2/mg 화학적 산소 용존량(chemical oxygen demand, COD)이다.As shown in FIG. 6, the gas chromatography analysis showed that significant hydrogen was generated at the MFC-2 cathode electrode portion. The hydrogen production rate was measured at 1.5 mL / h, and the hydrogen yield was 0.69 mL H 2 / mg chemical oxygen demand (COD).

일반적으로 MFC는 산소의 존재 없이는 전체 전위가 네거티브이기 때문에 캐소드 전극에서 자발적으로 수소를 만들 수가 없다. 이 열역학적 장애를 극복하기 위해서, 외부 전력 공급이 MFC에 적용되어야만 한다 (MEC 모드). 그러나, MFC-2는 외부 전력 및 산소 공급 없이도, 캐소드 전극부에서 수소를 생성하였다. 외부 전력 및 산소 공급 없이, 어떻게 수소 가스가 생성되었는지가 문제 된다. 그 이유는 MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들이 전자와 양성자들을 받아들임으로써 "양자화된 콘덴서 충전" 현상을 보여주기 때문이다. 이를 상세히 설명하면, pH=7 (298K)에서, CO2/아세테이트의 생물 표준 전위는 -0.29 V이고, H+/H2 는 -0.414 V 인것으로 알려졌다. 그 결과, 전지 전압은 -0.124 V 이므로, 반응은 자발적으로 일어나지 않는다. 그러나, 본 발명에서는, 1mM 금 전구물질의 pH가 ~3이므로, 캐소드 전극부에서의 pH도 ~3이다. 따라서, 만일, 캐소드 전극부 pH를 ~ 3으로 고려한다면, 수소 생성을 위한 캐소드 전위는 -0.177 V (Nernst 식 E=-0.059 X pH)가 된다. 그러므로, 그 결과 전압은 +0.113 V가 되고, 외부 전력 공급없이도 MFC는 자발적으로 작동할 수 있다. 보통의 MFC에서는 캐소드 전극부의 pH가 변하기 때문에, 본 발명에서는 캐소드 전극부의 pH를 정기적으로 모니터 하였고, 그 결과, MFC 작동의 한 달 후에 조차도 캐소드 전극부의pH가 거의 변하지 않는다는 것을 발견하였다. 생성된 금 나노 입자 표면 위에 양성자의 흡착은 양성자 완충제로서 작용하여, 캐소드 전극부안에서 pH가 변하는 것을 막는다. pH가 3인 MFC 캐소드 전극부안에서 전자 전이 속도가 크게 향상된다고 알려져 있고, 또한, 금 나노 입자가 많은 모서리나 에지(edge)를 가질 경우, 표면적의 증가로 인하여 촉매 활동이 크게 향상된다고 알려져 있다. 그 나노 입자들의 모서리나 에지는 촉매 활동을 위한 활성 부위로 작용할 수 있다. 따라서, 캐소드 용액이 구형의 나노 입자들이 아닌 많은 모서리나 에지를 가진 다양한 금 나노 입자들을 포함하고 있으므로, 캐소드 전극부안에서 촉매 활동은 더욱 향상될 것이다. 캐소드 전극부에서 생성된 양충전을 띤 금 나노 입자들은 "전자 받게" 로서 작용하고, 그 결과 외부 회로를 경유해 들어오는 전자들에 의해 대전된다. 이러한 촉매 활동은 금 코어에 전자 밀도가 증가할수록 크게 증가한다. Generally, MFC can not make hydrogen spontaneously at the cathode electrode because the total potential is negative without the presence of oxygen. To overcome this thermodynamic failure, the external power supply must be applied to the MFC (MEC mode). However, MFC-2 produced hydrogen at the cathode electrode portion without external power and oxygen supply. Without external power and oxygen supply, how hydrogen gas is generated is a problem. This is because the gold nanoparticles generated at the MFC-2 cathode electrode portion show "quantized capacitor charge" phenomenon by accepting electrons and protons. In detail, at pH = 7 (298K), the biological standard potential of CO 2 / acetate is -0.29 V and H + / H 2 is known to be -0.414 V. As a result, since the cell voltage is -0.124 V, the reaction does not occur spontaneously. However, in the present invention, since the pH of the 1 mM gold precursor is ~ 3, the pH at the cathode electrode is ~ 3. Therefore, if the cathode electrode portion pH is taken as ~ 3, the cathode potential for hydrogen production becomes -0.177 V (Nernst equation E = -0.059 X pH). Therefore, the resulting voltage is +0.113 V, and the MFC can operate spontaneously without external power supply. In the present invention, the pH of the cathode electrode portion was regularly monitored, and as a result, the pH of the cathode portion was hardly changed even after one month of operation of the MFC, because the pH of the cathode electrode portion changed in a normal MFC. The adsorption of the protons on the surface of the generated gold nanoparticles acts as a proton buffer to prevent the pH from changing in the cathode electrode. It is known that the electron transfer rate is greatly improved in the MFC cathode part having a pH of 3 and it is known that when the gold nanoparticles have many edges or edges, the catalyst activity is greatly improved due to the increase of the surface area. The edges or edges of the nanoparticles can act as active sites for catalytic activity. Thus, the catalyst activity in the cathode electrode area will be further improved since the cathode solution contains various gold nanoparticles with many edges or edges rather than spherical nanoparticles. The gold nanoparticles charged at the cathode electrode portion are charged as electrons by the electrons passing through the external circuit. This catalytic activity increases significantly with increasing electron density in the gold core.

차동 펄스 전압전류법 (differential pulse voltammetry, DPV)은 표준 삼전극 시스템(standard three electrode system)을 이용하는 일정전위기(potentiostat)을 이용해 작동되었다. Ag/AgCl 이 표준전극으로, Pt포일이 상대 전극으로 그리고 스테인레스 강 철망이 작동 전극으로 이용되었다. MFC-2에서 생성된 금 나노 입자 용액이 전해질로써 이용되었다.Differential pulse voltammetry (DPV) was operated using a potentiostat using a standard three electrode system. Ag / AgCl was used as the standard electrode, Pt foil as the counter electrode and stainless steel wire mesh as the working electrode. The gold nanoparticle solution produced in MFC-2 was used as the electrolyte.

MFC-2 캐소드 전극부에서 생성된 금 나노 입자들의 DPV 분석결과를 도 7에 나타내었다.The results of DPV analysis of the gold nanoparticles produced in the MFC-2 cathode electrode portion are shown in FIG.

도 7에 나타난 바와 같이, DPV 플럿은 한 쌍의 명확한 양자화된 충전 피크(peak)들을 보여주었다. 그 피크 전류는 많은 선행 문헌들의 결과보다 더 높은 값을 보여주는데, 이것은 생성된 다양한 형태를 가지는 금 나노 입자들이 "양자화된 콘덴서" 역할을 하는 것을 나타낸다. 대전된 금 나노 입자 표면은 하나의 전극에 비유된다. Volmer-Heyrovsky 메커니즘에 따르면, 양성자는 (-)대전된 금 나노 입자 표면 위에 흡착되고, 그 후, 두번째 양성자가 같은 위치에서 환원되면 수소 분자가 탈착되게 된다. As shown in Figure 7, the DPV plat showed a pair of distinct quantized charge peaks. The peak current shows a higher value than the results of many earlier documents, indicating that the gold nanoparticles with the various forms produced serve as "quantized capacitors". The surfaces of the charged gold nanoparticles are compared to one electrode. According to the Volmer-Heyrovsky mechanism, protons are adsorbed on the surface of (-) charged gold nanoparticles, and then hydrogen molecules are desorbed when the second protons are reduced at the same location.

[식 1] [Formula 1]

Au + H+ + e- -----> Au-H (1a)Au + H + + e - - - - & gt ; Au-H (1a)

Au-H + H+ + e- -----> Au-H2 (1b)Au - H + H + + e - - - - > Au - H 2 (1b)

금 나노 입자들에 의해 잡혀있는 각 전자들이 양성자를 표면으로 끌어당김을 알 수 있다. 이 결과들은 금 나노 입자의 전기 촉매 작용으로 인한 양성자 환원을 보여준다.
It can be seen that each electron trapped by the gold nanoparticles attracts the protons to the surface. These results show the proton reduction due to the electrocatalytic action of gold nanoparticles.

Claims (12)

1) 챔버(chamber);
상기 챔버의 내부에 서로 대항하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극;
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이를 연결한 외부 도선;
활성 미생물 및 유기물을 포함하는 애노드 전극부;
완충액을 포함하며 외부로부터 공기를 공급받는 캐소드 전극부; 및
상기 챔버를 애노드 전극부와 캐소드 전극부로 분리하는 양이온 교환막;
을 포함하는 미생물 연료전지를 제조하는 단계; 및
2) 상기 1)단계의 미생물 연료전지가 30 ~ 50 mW/m2 의 전력 밀도를 가진 이후, 상기 캐소드 전극부의 완충액을 금속 전구 물질을 포함하는 용액으로 치환하는 단계; 를 포함하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.
1) a chamber;
An anode electrode and a cathode electrode disposed inside the chamber in opposition to each other;
An external lead connecting the anode electrode and the cathode electrode;
An anode electrode portion including an active microbe and an organic substance;
A cathode electrode portion including a buffer solution and supplied with air from the outside; And
A cation exchange membrane for separating the chamber into an anode electrode portion and a cathode electrode portion;
Preparing a microbial fuel cell comprising the microbial fuel cell; And
2) replacing the buffer solution of the cathode electrode part with a solution containing a metal precursor after the microbial fuel cell of step 1) has a power density of 30 to 50 mW / m 2 ; Wherein the hydrogen and metal nanoparticles are produced by a method comprising the steps of:
제 1항에 있어서, 상기 1)단계에서 애노드 전극과 캐소드 전극은 각각 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 및 금속천으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the anode electrode and the cathode electrode in the step 1) are at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, The method for producing a microorganism fuel cell for producing hydrogen and metal nanoparticles according to claim 1, 제 1 항에 있어서, 상기 1)단계에서 애노드 전극은 카본 페이퍼를 포함하고, 캐소드 전극은 백금(Pt)촉매가 코팅된 카본 페이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein in step 1), the anode electrode comprises carbon paper, and the cathode electrode comprises carbon paper coated with a platinum (Pt) catalyst. Gt; 제 1 항에 있어서, 상기 외부 도선은 외부 저항이 500~1500Ω 인 구리배선인 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the external conductor is a copper wire having an external resistance of 500 to 1500?. 제 1항에 있어서, 상기 1)단계에서 애노드 전극부에 포함된 활성미생물은 로도퍼락스 페리레두센스 (Rhodoferax ferrireducens), 쉬와넬라 푸트레파시엔스 (Shewanella putrefaciens), 지오박터라세에 설퍼레두센스 (Geobacteraceae sulfurreducens), 지오박터 메탈리레두센스 (Geobacter metallireducens) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 미생물인 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the active microorganisms contained in the anode electrode part in step 1) are selected from the group consisting of Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, Wherein the microbial fuel cell is at least one microorganism selected from the group consisting of Geobacteraceae sulfurreducens and Geobacter metallireducens. 제 1 항에 있어서, 상기 1)단계에서 캐소드 전극부의 완충액은 인산염 완충액이며, 80 ~ 130 mL /min로 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the buffer solution in the cathode electrode part in step 1) is a phosphate buffer solution and air is supplied at 80 to 130 mL / min. 제 1 항에 있어서, 상기 2)단계에서 금속 전구 물질을 포함하는 용액은 HAuCl4을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the solution containing the metal precursor in step 2) comprises HAuCl 4 . 제 1 항에 있어서, 상기 2)단계에서 금속은 Au, Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Co, Rh 및 Ir 으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the metal in step 2) is at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, Zn, Cd, Co, And a method for manufacturing a microbial fuel cell for producing metal nanoparticles. 제 1 항에 있어서, 상기 2)단계에서 캐소드 전극부는 무산소 상태인 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cathode electrode unit is in an anoxic state in step 2). 제 1 항에 있어서, 상기 2)단계에서 캐소드 전극은 스테인레스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 및 금속 나노 입자 생성용 미생물 연료전지의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the cathode electrode in step 2) comprises stainless steel. 제 1 항 내지 제 10항중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조되는 미생물 연료 전지.11. A microbial fuel cell produced by the method of any one of claims 1 to 10. 제 11항의 미생물 연료전지를 이용한 수소 및 금속 나노 입자의 제조 방법.A method for producing hydrogen and metal nanoparticles using the microbial fuel cell according to claim 11.
KR1020130032454A 2013-03-27 2013-03-27 Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same KR101444802B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130032454A KR101444802B1 (en) 2013-03-27 2013-03-27 Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130032454A KR101444802B1 (en) 2013-03-27 2013-03-27 Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101444802B1 true KR101444802B1 (en) 2014-09-26

Family

ID=51761205

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130032454A KR101444802B1 (en) 2013-03-27 2013-03-27 Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101444802B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114551903A (en) * 2022-02-25 2022-05-27 广州大学 Microbial fuel cell cathode, preparation method and application thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110236769A1 (en) * 2010-03-23 2011-09-29 Xing Xie Three dimensional electrodes useful for microbial fuel cells

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110236769A1 (en) * 2010-03-23 2011-09-29 Xing Xie Three dimensional electrodes useful for microbial fuel cells

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Huang, Y., et al., A new cathodic electrode deposit with palladium nanoparticles for cost-effective hydrogen production in a microbial electrolysis cell, Int. J. Hydrogen Energy 36(2011) 2773-2776 *
Zhang, Y., et al., Enhancement effect of gold nanoparticles on biohydrogen production from artificial wastewater, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 17-23 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114551903A (en) * 2022-02-25 2022-05-27 广州大学 Microbial fuel cell cathode, preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rahimnejad et al. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review
Zhang et al. Manganese dioxide-coated carbon nanotubes as an improved cathodic catalyst for oxygen reduction in a microbial fuel cell
Deng et al. Power generation using an activated carbon fiber felt cathode in an upflow microbial fuel cell
Hidalgo et al. Electrochemical and impedance characterization of Microbial Fuel Cells based on 2D and 3D anodic electrodes working with seawater microorganisms under continuous operation
Mecheri et al. Oxygen reduction reaction electrocatalysts derived from iron salt and benzimidazole and aminobenzimidazole precursors and their application in microbial fuel cell cathodes
Li et al. Ultrathin NiSe nanosheets on Ni foam for efficient and durable hydrazine-assisted electrolytic hydrogen production
US10181614B2 (en) Hydrogen oxidation and generation over carbon films
Savla et al. Utilization of nanomaterials as anode modifiers for improving microbial fuel cells performance
Chaturvedi et al. Recent advances and perspectives in platinum-free cathode catalysts in microbial fuel cells
Sidhureddy et al. Synthesis and electrochemical study of mesoporous nickel-cobalt oxides for efficient oxygen reduction
Zhang et al. Electrospinning preparation of N, P dual-doped molybdenum carbide/porous carbon fibers with highly improved electrocatalytic activity for hydrogen evolution reaction
Ramachandran et al. Enhancement of different fabricated electrode materials for microbial fuel cell applications: an overview
CN102117918A (en) Preparation method and application of nitrogen-doped carbon nanotube to preparing cathode of microbial fuel cell of
de Oliveira et al. Optimization of PGM-free cathodes for oxygen reduction in microbial fuel cells
Chaturvedi et al. Enhancing sustainable bioelectricity generation using facile synthesis of nanostructures of bimetallic Co–Ni at the combined support of halloysite nanotubes and reduced graphene oxide as novel oxygen reduction reaction electrocatalyst in single-chambered microbial fuel cells
Zheng et al. Mimicking hydrazine dehydrogenase for efficient electrocatalytic oxidation of N2H4 by Fe–NC
Huang et al. Tuning interface density and electronic structure of NiS/Ni3S4 by Mo, Co co-doping for efficient urea electrooxidation reaction
Zhou et al. Preparation of Co3O4/NiCo2O4@ NC double-shelled catalyst and its high performance for degradation of levodopa in Electro-Fenton system
Wang et al. N-doping of graphene aerogel as a multifunctional air cathode for microbial fuel cells
Shixuan et al. Oxygen reduction activity of a Pt-N4 single-atom catalyst prepared by electrochemical deposition and its bioelectrochemical application
KR101444802B1 (en) Microbial fuel cell for generating hydrogen and metal nanoparticle and method for preparing the same
Xing et al. Three-dimensional Setaria viridis-like NiCoSe2 nanoneedles array: As an efficient electrochemical hydrazine sensor
Nam et al. Electricity generation from MFCs using differently grown anode-attached bacteria
Radha et al. Performance of cathode catalysts for bio-electricity from paper recycling, wastewater-fed, microbial fuel cells
Li et al. Effect of Iron Concentration and Annealing Conditions on the Catalytic Performance of Co–Mn Spinel Oxides with a Unique Nanowire–Nanosheet Coexisting Structure for Water Oxidation

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170918

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180703

Year of fee payment: 5