최대 출력밀도 1.29mW/㎠…60일 뒤에도 성능 80% 유지
그래핀 구조에 금 나노입자 결합해 출력·안정성 높여
한양대학교 연구팀이 효소를 사용하지 않고 포도당으로 전기를 만드는 고성능 바이오배터리용 전극 기술을 개발했다.
한양대 ERICA 배터리소재화학공학과 유효종 교수 연구팀은 3차원 다공성 그래핀 구조에 금 나노입자를 고르게 배치해 출력 성능과 장기 안정성을 높인 비효소형 포도당 바이오배터리를 개발했다고 23일 밝혔다.
포도당 바이오배터리는 혈액 등 체액 속 포도당을 연료로 전기를 생산하는 장치다. 심박조율기나 연속혈당측정기 같은 체내 삽입형 의료기기의 전원으로 활용 가능성이 연구되고 있다.
기존 방식은 주로 효소를 촉매로 사용하지만 시간이 지나면 효소 활성이 떨어져 장기간 사용하기 어렵다는 한계가 있다. 효소 대신 금속 촉매를 사용하면 안정성은 높일 수 있지만 체내와 같은 중성 환경에서는 포도당의 산화 반응이 잘 일어나지 않아 충분한 출력을 확보하기 어렵다.
연구팀은 공기층이 많은 그래핀 구조에 금 나노입자를 균일하게 고정하는 전극 제조법을 개발했다. 제조 과정에서 발생하는 기체가 전극 구조를 손상시키는 것을 줄이고 금 입자끼리 뭉치는 현상도 억제해 포도당이 반응할 수 있는 촉매 면적을 넓혔다.
이 전극을 적용한 바이오배터리는 최대 출력밀도 1.29mW/㎠를 기록했고 60일 뒤에도 초기 성능의 약 80%를 유지했다.
연구팀은 이번 기술이 비효소형 포도당 바이오배터리의 출력과 안정성을 함께 높이는 전극 설계 방식으로 활용될 수 있다. 또 향후 체내 삽입형 의료기기 전원과 전기화학 촉매 분야에 적용 가능성이 있다고 설명했다.
유 교수는 “그래핀의 다공성 구조와 금 나노입자의 촉매 특성을 결합해 높은 출력과 장기 안정성을 확보했다”고 말했다.
연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐으며 관련 기술은 특허 출원됐다.
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