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효소계 생물전지를 위한 생물촉매의 과제

전문가 제언: ○ 생물연료전지 계통은 효소 및 미생물과 같은 생물 촉매를 재래식 연료전지에서 전이금속 촉매를 대신하여 사용한다. 효소계 생물연료전지의 주요 이득은 동일 출력을 내는 미생물연료전지에 비하여 크기가 작으며 효소자신의 산화환원 전위에 근접하여 운전이 가능하다. 효소로 개질된 전극은 생물센서, 생물의료장치 및 효소 생물반응기 등을 구성하는 기초로 제공되어 실용목적의 가능성이 커지고 있다.

○ 생물연료전지의 연료는 생물적 환경, 심지어 살아있는 유기체(예, 혈류속의 포도당) 또는 식물로부터 획득할 수 있다. 효소계 생물연료전지를 효율적으로 운전하려면 몇 가지 조건이 충족되어야 한다. 첫째, 효소는 높은 활성, 안정도 및 저가이어야 한다. 둘째, 양극의 산화환원 전위는 양극과 음극의 최대 전위차를 유지하기 위하여 가능한 한 음전위 이어야 한다. 셋째, 생물전기 촉매과정에서 효소와 전극 사이의 효율적 전자전달을 위하여 매개자 및 효소 고정화기술이 필요하다. 이와 관련하여 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)가 최고의 효소로 평가되고 있다.

○ pH7 수용액에서 FAD(flavin adenine dinucleotide)/FDAH2 촉매의 활성자리 산화환원전위는 양극운전에 충분한 음전위이다. 동시에 저분자량 물질로 매개한 GOx계 연료전지의 출력 및 수명은 비교적 낮다. 출력상실의 대부분은 느린 분해와 GOx 전극으로부터의 산화환원 매개자의 손실 및 효소자체의 변성 때문이다. 실제목적으로 사용하기 전에 이의 한계를 극복하는 기술이 필요하다.

○ 효소의 활성자리와 전극표면 간의 직접전자전달이 관심을 끌고 있다. 직접전자전달에 기초한 효소전극은 효소자체의 산화환원 전위와 근접하여 작동한다. 여기에서도 해결해야할 과제는 GOx의 산화환원 센터의 깊이는 13Å으로서 GOx의 활성자리와 전극표면 간의 전자 전달률이 낮다. 탄소나노튜브 전극을 사용함으로써 이 문제를 해결할 수 있고, 특히 다중벽 탄소나노튜브로 3차원적 나노전극 집합체를 구성할 수 있다. 미소전극위의 3차원적 다공성 나노튜브 그물구조는 효소주변에 ‘나노전선’으로 작용하여 전자전달을 촉진하는 것으로 믿어진다.

저자: Jungbae Kim , Hongfei Jia , Ping Wang
자료유형: 학술정보