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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

박인호 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수
남기석
발행연도
2014
저작권
전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

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이 논문의 연구 히스토리 (7)

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Microbial fuel cells(MFCs) are one of the promising green energy sources to produce electricity from organic wastes with the help of bacteria as catalyst. Although MFCs are not yet commercialized, they have drawn great attention as a environmentally friendly alternative energy source. However, there are still several challenges to overcome for MFCs to appear in industry. Currently, practical applications of MFCs are limited because of their low power output due to slow electron transfer between the bacterial cells and the electrode.
Among the various factors for improving the power output of MFCs, the performance of electrodes are considered to be one of the important aspects. A wide range of electrode materials and configurations have been tested and developed in recent years to improve MFC performance.
As well, the modification of anodic electrode surface with various nano-engineering techniques has been widely proposed to improve bacterial adhesion and electron transfer from bacteria to the electrode surface. Bacterial adhesion and the formation of a biofilm or network on the anode surface are essential for the efficient biological transfer of electrons in a MFCs. Various modification strategies including nanomaterials and fabrication methods have been developed so far to increase the electron-accepting ability of the electrodes and to improve electron transfer and power output.
This dissertation focuses on the modification of anodic electrode surface with nano-engineering techniques, and identifies the rational method of improving the power output of MFCs. The organization of this dissertation is as follows:

In Chapter 3 suggests a new anodic electrode surface modification. The anodic electrode surface was coated with Magnetite/MWCNT nanocomposite by directly applying a magnetic field and the E. coli-catalyzed ML-MFC was assembled. This conductive biocatalytic layers coated on the anode help the electron transfer between the bacteria and the electrode.

In Chapter 4, a novel Fe3O4/CNT nanocomposite were synthesized and employed for the modification of anodic electrode to enhance E. coli-catalyzed ML-MFCs performance. The Fe3O4/CNT nanocomposite modified anodes with various Fe3O4 contents were investigated to find the optimum ratio of the nanocomposite for the best MFC performance. In the Fe3O4/CNT nanocomposite modified anode, Fe3O4 nanoparticles help to attach Carbon Nanotube(CNT) on anode surface by its magnetic attraction and the anode surface is formed multilayer network. The CNT offers a better nanostructure environment for bacterial growth and helps electron transfer from E. coli to electrode resulting in the improving the power output of MFCs.

In Chapter 5, a novel Fe3O4/Carbon nanocomposite were synthesized and employed for the modification of anodic electrode to enhance E. coli-catalyzed ML-MFCs performance. The Fe3O4/Carbon nanocomposite modified anodes with various carbon nanomaterials were investigated to find the multilayer structure of the Fe3O4/Carbon nanocomposite for the best MFC performance.

In Chapter 6, the cytochrome overexpressing-engineered E. coli demonstrates superior electrocatalytic performance than the natural E. coli. The engineered E. coli-catalyzed MFC shows lower polarization and high power density in comparison to reported natural E. coli-catalyzed MFC. We demonstrate that overexpressing-engineered E. coli by recombinant can improve its direct electron transfer capability. This work provides an efficient and economic approach to biologically engineer bacteria for improvement of MFC performance.

목차

제 1장. 서론 1
1.1. 미생물연료전지를 이용한 전기 생산 1
1.2. 하ㆍ폐수 처리를 위한 미생물연료전지 기술 2
1.3. 미생물연료전지 연구 동향 3
1.4. 미생물연료전지 상용화 5
1.5. 연구개발의 필요성 7
1.5.1. 기술적 측면 7
1.5.2. 경제적 측면 8
제 2장. 이론적 배경 12
2.1. 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell)의 정의 12
2.2. 미생물연료전지의 작동 원리 12
2.3. 미생물연료전지의 전위 손실 17
2.3.1. 미생물 대사 분극 17
2.3.2. 활성화 분극 17
2.3.3. 저항 분극 18
2.3.4. 농도 분극 18
2.4. 미생물연료전지의 전기화학 특성 20
2.4.1. 전기화학 임피던스 20
2.4.2. 순환전압전류법 21
2.5. 미생물연료전지의 미생물 23
2.5.1. 나노선에 의한 전자 전달 23
2.5.2. 직접접촉에 의한 전자 전달 24
2.5.3. 산화ㆍ환원 매개체에 의한 전자 전달 24
2.6. 미생물연료전지의 구성 요소 27
2.6.1. 산화전극(Anode) 27
2.6.2. 환원전극(cathoode) 29
2.6.3. 분리막(Membrane) 31
2.7. 미생물연료전지의 형태 33
2.7.1. 이실형 MFC(Two-chamber MFC) 33
2.7.2. 일실형 MFC(Single-chamber MFC) 33
2.7.3. 그 밖의 형태 35
2.8. 연구 목적 37
제 3장. Magnetite/CNT nanocomposite 변형 전극을 이용한 애노드 전극으로의 직접적인 전자 전달 40
3.1. 서 론 40
3.2. 재료 및 실험방법 43
3.2.1. magnetite/CNT nanocomposite 합성 43
3.2.2. 미생물 배양 46
3.2.3. 애노드 전극 구성 46
3.2.4. MFC 제작 및 성능 평가 48
3.3. 결과 및 고찰 50
3.3.1. 형태학상 특성 분석 50
3.3.2. MFC 성능 측정 50
3.3.3. 전기화학 특성 분석 53
3.4. 결 론 57
제 4장. Fe3O4 함량에 따른 Fe3O4/CNT nanocomposite 애노드 변형 전극의 성능 평가 58
4.1. 서 론 58
4.2. 재료 및 실험방법 61
4.2.1. Fe3O4/CNT nanocomposite 합성 61
4.2.2. 미생물 배양 61
4.2.3. 애노드 전극 구성 61
4.2.4. MFC 제작 및 성능 평가 64
4.2.5. 특성 분석 66
4.3. 결과 및 고찰 67
4.3.1. 구조 및 형태학상 특성 분석 67
4.3.2. MFC 성능 측정 70
4.3.3. 전기화학 특성 분석 73
4.4. 결 론 76
제 5장. 다양한 탄소나노재료들에 의한 Fe3O4//Carbon nanocomposite 애노드 변형 전극 표면 특성 연구 77
5.1. 서 론 77
5.2. 재료 및 실험방법 78
5.2.1. Fe3O4/Carbon nanocomposite 합성 78
5.2.2. 미생물 배양 78
5.2.3. 애노드 전극 구성 78
5.2.4. MFC 제작 79
5.2.5. 물리적, 전기화학적 특성 81
5.3. 결과 및 고찰 83
5.3.1. 구조 및 형태학상 특성 분석 83
5.3.2. MFC 성능 측정 89
5.3.3. 전기화학 특성 분석 93
5.4. 결 론 97
제 6장. 유전자 재조합 대장균을 이용한 ML-MFC 성능 평가 99
6.1. 서 론 99
6.2. 재료 및 실험방법 02
6.2.1. 균주 및 성장 조건 102
6.2.2. DNA의 분리, 조작 및 변환 102
6.2.3. NrfB 발현을 위한 벡터 제작 102
6.2.4. Recombinant E. coli의 시토크롬 발현 102
6.2.5. MFC 제작 105
6.3. 결과 및 고찰 106
6.3.1. MFC 성능 측정 106
6.3.2. 전기화학적 특성 분석 110
6.4. 결 론 116
참고문헌 117

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