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성과명시금치로 작동하는 광합성 전지로 전자계산기 구동

Enhanced Interfacial Electron Transfer Between Thylakoids and RuO2Nanosheets for Photosynthetic Energy Harvesting(Science Advances (IF: 14.136, 2020년 기준))

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지원사업
중견연구지원사업
지원 기관
과학기술정보통신부
연구 기관
연세대학교, 뉴캐슬대학교
연구자
홍현욱, 이장미, 윤재형, 김용재
발표일
2021-05-12
조회수
84

시금치로 작동하는 광합성 전지로 전자계산기 구동


- 시금치 추출물로 전기에너지 수확 -



개요

류원형 교수, 황성주 교수, 홍현욱 박사 (이상 연세대학교), 이장미 박사(호주 뉴캐슬대학교) 연구팀이 시금치에서 추출한 틸라코이드와 루테늄 산화물 시트로 제작된 식물 광합성 전지를 개발하여, 소형계산기를 구동했다고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 12일 게재(온라인)되었다.


연구 내용

합성된 층상구조의 나트륨 루테늄 산화물을 박리(이온치환 방식)하여 단일층의 루테늄 산화물 (RuO2) 나노시트를 제작하고, 전기영동을 통해 금 전극 표면에 코팅하였다.
틸라코이드는 시금치 잎을 분쇄하여 원심분리를 통해 정제 되었으며, 전극 위에 일정한 양으로 도포 하였다. 전극과 틸라코이드의 접합을 확인하기 위해 금 전극과 루테늄 산화물 코팅 전극에 틸라코이드를 각각 도포하고 강한 수압으로 세척하여 주사전자 현미경(scanni
ng electron micros)으로 관찰 하였다. 틸라코이드가 대부분 떨어진 금 전극과 달리, 루테늄 산화물 전극 표면에는 틸라코이드가 여전히 잘 붙어 있는 것을 확인하였으며 틸라코이드가 부착된 전극의 특성을 확인하기 위해서 광합성 유무에 따른 전극의 전위를 Ag/AgCl 기준전극으로 측정하였다.
광합성을 통한 전기에너지 수확을 위해 산소 환원 반응이 일어나는 전극을 양극(cathode)으로, 틸라코이드 전극을 다극(anode)로 하여 전지를 구성하였다. 단일 전지의 개방 회로 전압(open circuit voltage)은 424mV로 측정되었으며, 최대 전류밀도와 최대 전력밀도는 8.84 μA/cm2, 0.74 μW/cm2으로 측정되었다. 2개 전지를 병렬연결하여 전류를 증가시켰고, 이를 4개 직렬연결하여 전압을 증가시켜 이에 연결된 소형계산기가 구동됨을 확인하였다.


기대 효과

식물 광합성을 이용하여 광합성 전기에너지를 생산하고, 이를 통해 소형 전자계산기를 구동하여 광합성 에너지 하베스팅의 실용화 가능성을 보여주었다. 연구에서 사용된 틸라코이드는 매년 여름 문제가 되는 녹조현상의 주범인 녹조류에서 추출할 수 있어 환경문제를 해결하고 녹조류의 자원화에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 다양한 전기화학 기반의 바이오 센서의 효율을 높이는데 기여할 것으로 기대된다.


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