표면 변형을 통한 미생물 연료 전지의 향상

수소를 이용한 연료전지와 더불어 미생물을 이용해 전력을 생산하는 미생물 연료전지 기술은 최근 빠른 속도로 발전되고 있다. 특히 폐수 처리장에 이용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 아직까진 대규모 전력 생산의 어려움, 낮은 효율, 새로운 미생물 개체군의 개발 및 적용에 따른 어려움으로 인해 많은 도전과제가 남아 있는 상태이다(GTB2007100061). 그 중에서도 최우선으로 해결해야 하는 과제는 에너지 변환 효율의 증가인데, 미생물 시스템에선 전자 전이가 상대적으로 느리게 진행되어 이에 대한 개선에 많은 연구가 집중되어 있다.

최근 싱가포르와 일본의 화학자들은 미생물 연료 전지(microbial fuel cells)의 박테리아와 전극 간의 계면을 향상시켜 에너지 변환 효율을 증가시키기 위한 두 가지 방식을 검사하였다. 이러한 장치들은 유기 분자를 산화시키기 위해 미생물을 이용한다. 이때 전자가 발생하게 되고, 연료 전지의 음극은 이러한 전자를 포획하여 에너지원으로 이용하게 된다.

일본 에바라 연구소(Ebara Research in Fujisawa-shi)의 마사노리 아다치(Masanori Adachi)는 음극 표면에 고분자 매개체(polymer mediator)를 도입함으로써 음극 계면을 향상시켰다. 이러한 고분자성 안트라퀴논(anthraquinone) 기반의 표면은 박테리아가 연료인 아세테이트(acetate)를 분해할 때 방출된 전자에 의해 전기화학적으로 환원된다. 이때 고분자 층은 전자를 통과시키게 되고, 이후 다음 전자 파에 의해 다시 환원될 준비를 갖추게 된다.

엘바라 연구진은 4개월 동안 코팅된 음극 시스템을 검사하여, 시간 경과에 따른 성능 저하가 없음을 확인할 수 있었다. 이와 같이 안정한 성능은 상용화된 미생물 연료 전지가 조만간 현실화될 수 있음을 시사한다고 아다치는 말했다.

또한 싱가포르 난양 기술대(Nanyang Technological University)의 창 민 리(Chang Ming Li) 연구진은 박테리아 자체가 전자를 음극으로 운송하는 연료전지를 개발하였다. 전기화학 조건에서 성장된 대장균은 전자를 전극으로 직접 운송하였으며, 리 연구진은 세포가 자체의 매개체를 배출한다는 것을 알게 되었다. 이때 매개체는 아다치 연구진의 고분자와 같은 역할을 수행하는 히드로퀴논(hydroquinone) 기반의 구조이다.

박테리아는 자신의 외부 막에 구멍을 발현시켜 히드로퀴논이 세포를 떠나 음극에 도달하도록 진화한다고 리 연구진은 제안하였다. 중재자가 없는 미생물 연료전지는 높은 에너지 변환 효율과 낮은 제조 비용으로 인해 많은 장점을 갖는다. 따라서, 차기 도전과제는 보다 많은 중재자 화합물을 생산하는 박테리아를 유전공학적으로 제조하는 것이다.

위의 두 연구 결과는 실용적인 미생물 연료전지의 개발에 진일보하는 계기를 마련하였다. 하지만, 실용적인 연료전지에 근접하기 위해선 여전히 2-3의 크기 수준만큼 전력 밀도를 향상시킬 필요가 있다. 전자 전송 위치와 전극이 직접 연결된 시스템을 구성하려면 생물 계면이 중요하며, 이를 통해 전력 밀도를 현격히 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.
 

[그림]
박테리아는 전극에서 퀴논(보라색)으로 산화되는 히드로퀴논 중재자(핑크색)를 방출함.

[원문 정보]
“A novel mediator?polymer-modified anode for microbial fuel cells,” Masanori Adachi, Tatsuo Shimomura, Makoto Komatsu, Hiroshi Yakuwa and Akiko Miya, Chem. Commun., 2008. DOI: 10.1039/b717773a

“Direct electrochemistry and electrocatalytic mechanism of evolved Escherichia coli cells in microbial fuel cells,” Yan Qiao, Chang Ming Li, Shu-Juan Bao, Zhisong Lu and Yunhan Hong, Chem. Commun., 2008. DOI: 10.1039/b719955d