높은

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14649(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 메조다공성 MgO 템플릿 탄소(MgOC) 전극을 갖춘 종이 기반 스크린 인쇄 바이오 연료 전지의 성능이 두 단계로 향상되었습니다. 먼저, MgOC 잉크에 소량의 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 첨가했습니다. 다음으로, 빌리루빈 산화효소(BOD)를 고정하기 전에 음극을 빌리루빈으로 변형했습니다. CMC는 MgOC의 메조세공의 접근성을 증가시켰고, 결과적으로 바이오애노드와 바이오캐소드 모두의 성능을 증가시켰습니다. CMC는 또한 전극의 안정성을 증가시켰을 가능성이 높습니다. 빌리루빈을 이용한 사전 변형은 BOD의 방향을 개선하여 직접적인 전자 전달을 촉진했습니다. 이 두 단계를 통해 젖산염 산화효소를 바이오애노드 효소로 사용하고 젖산염을 연료로 사용하여 0.65V의 개방 회로 전위, 1.94mA cm-2의 최대 전류 밀도 및 465μW cm-2의 최대 전력 밀도를 달성했습니다. 이는 바이오 연료 전지에 대해 가장 높은 보고된 성능 중 하나입니다.

메조다공성 탄소 재료는 바이오센서 및 바이오연료전지와 같은 생체 전기화학 장치 제조에 가장 매력적인 재료 중 하나입니다. 이 소재는 높은 전도성, 높은 표면적, 우수한 생체적합성을 결합하여 효소 고정화용 전극 및 매트릭스에 탁월합니다. Yanget al. 포도당 산화효소가 질서 있는 메조다공성 탄소에 고정되었을 때 온도와 pH 안정성이 증가했다고 보고했습니다. 다양한 유형의 메조다공성 탄소 물질 중에는 산화물 주형 탄소가 있습니다. 산화물 템플릿 탄소의 기공 크기는 산화물 템플릿5,6,7,8,9의 크기를 제어하여 제어할 수 있습니다. 이러한 산화물 템플릿 탄소 중 하나는 MgO 템플릿 탄소(MgOC)이며, 이는 상업적으로 이용 가능합니다5,6. 직접적인 전기화학에 대한 MgOC의 기공 크기의 영향은 D-과당 탈수소효소10 및 빌리루빈 산화효소(BOD)11,12에 대해 조사되었습니다. 더욱이, MgOC 잉크로 개질된 탄소 천으로 제작된 바이오 연료 전지(BFC)는 각각 포도당 탈수소효소(GDH)와 젖산염 산화효소(LOx)를 효소로 사용하여 2mW cm-213 및 4.3mW cm-214의 고출력 출력을 보였습니다.

MgOC 잉크는 스크린 인쇄 MgOC 전극을 제조하는 첫 번째 단계이기도 합니다. 스크린 인쇄 잉크의 전도성 탄소 소재는 인쇄 중에 가해지는 전단 응력 하에서 고르게 분산되어야 합니다. 불균일한 분산은 부분적으로 부서지기 쉬운 전극(바인더가 너무 적은 경우) 및/또는 부분적으로 증가된 저항(바인더가 너무 많은 경우)으로 이어질 수 있습니다. 분산도가 높을수록 응집 가능성이 적어지기 때문에 다공도도 높아질 수 있습니다. 소량의 첨가제는 전도성을 방해하지 않고 잉크 분산을 향상시켜 인쇄된 전극의 품질과 재현성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 생체 적합하고 지속 가능한 재료가 탄소 재료의 분산제로 사용되었지만15 스크린 인쇄용 MgOC 잉크로는 분산제가 고려되지 않았습니다.

스크린 인쇄 전극은 특히 의료 응용 분야를 위한 웨어러블 바이오 센서 제조에 유망합니다. 최근 웨어러블 바이오센서는 환자의 개인화, 실시간 건강 관리 추세와 운동선수 등 고성능 전문가의 신체 상태에 대한 데이터 중심의 면밀한 모니터링 추세로 인해 큰 주목을 받고 있습니다. 그리고 소방관. 마찬가지로, 웨어러블 BFC도 에너지 수확기 및 자체 구동 센서로서 상당한 주목을 받고 있습니다. 에너지 수확기로서 웨어러블 BFC는 체액에 포함된 포도당이나 젖산염으로부터 에너지를 수집하여 소형 장치에 전력을 공급합니다. 자체 구동 센서인 웨어러블 BFC는 언제든지 포도당이나 젖산염에서 수집된 전력이 각 연료의 농도에 따라 달라진다는 사실을 활용합니다. 자체 전원 공급형 센서에는 감지 장치용 에너지원이 필요하지 않습니다. 웨어러블 바이오 센서 및 BFC의 몇 가지 예는 안경의 코 패드에 통합되어 있으며 부드러운 재료로 제작된 미세 유체 장치는 얇고 유연한 필름으로 제작되었으며 문신 유형은 직물 기반28,29 및 종이 기반30,31 ,32.