Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
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| dc.contributor.advisor | In, Su Il | - |
| dc.contributor.author | Kim, Hyeon Woo | - |
| dc.date.accessioned | 2017-05-10T08:51:03Z | - |
| dc.date.available | 2015-01-12T00:00:00Z | - |
| dc.date.issued | 2015 | - |
| dc.identifier.uri | http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001915992 | en_US |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/20.500.11750/1380 | - |
| dc.description.abstract | Fossil fuels are running out because of human activities, and consumption of fossil fuels increases concentration of carbon dioxide that causes global warming. Therefore, developing a new renewable energy is needed. Microbial fuel cells (MFCs) are eco-friendly technology that can treat wastewater and generate bioelectricity at the same time. But there are some limitations such as low power output and expensive material cost. Thus, this study was conducted to overcome low efficiency of MFCs by developing a new solar hybrid system and current collector that can reduce internal resistance of MFCs. First, suitable photoactive material must be used to harvest sunlight. In this study, N-doped TiO2 nanotubes were used as photoanodes because of their photostability, high electron transfer ability and broad absorption range. Additional electrons are generated from photoanode by light irradiation and it increased power output around 34.9 % compared with a normal MFC reactor. Second, the effect of current collectors was investigated. Current collector must have corrosion resistance in the aqueous solution. Therefore, titanium and stainless steel were used. Graphene oxide is coated on the current collector surface because of its excellent mobility of charge carriers, a large specific surface and good mechanical stability. The highest voltage was generated from the reactor which nanostructured stainless steel 304 mesh was used (452 mV). ⓒ 2015 DGIST |
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| dc.description.tableofcontents | I. Introduction 2-- 1. Research Background 2-- 2. Electron Transfer Mechanism 3-- 3. References 5 -- II. Equipment 7 -- 1. Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) 7-- 2. Potentiostat 8 -- 3. X-ray Photoelectron Spectrometer (XPS) 9 -- 4. X-ray Diffractometer (XRD) 10 -- 5. References 12-- III. Investigation of N-doped Titanium Dioxide Nanotubes for The System of Hybrid Solar Microbial Fuel Cell 13-- 1. Introduction 13 -- 2. Experimental Section 14-- 2.1 Materials 14 -- 2.2 MFC set-up 15-- 2.3 Inoculum, substrate and medium 16-- 2.4 Photoanode preparation 16 -- 2.5 Operating procedures 16-- 2.6 Preparation of SEM samples 17-- 2.7 Analysis17 -- 3. Results and Discussion 18-- 3.1 FE-SEM Analysis of Photoanode and Microorganisms on the Anode Surface 18-- 3.2 XRD patterns of photoanode 19-- 3.3 XPS analysis of photoanode 20 -- 3.4 Photocurrent measurement of photoanode 22-- 3.5 Polarization and Power density curves of SMFC 22 -- 4. Conclusions 23 -- 5. References 25 -- IV. Investigation of Current Collectors with Graphene Oxide Coating for Enhance Microbial Fuel Cells Performance 27 -- 1. Introduction 27 -- 2. Experimental Section 28 -- 2.1 Materials 28-- 2.2 Electrical anodization of titanium mesh and stainless steel 304 mesh current collectors 28 -- 2.3 Preparation of graphene oxide coated current collectors 28 -- 2.4 Inoculum, substrate and medium 29-- 2.5 MFC set-up 29 -- 2.6 Analysis 29 -- 3. Results and Discussion 29 -- 3.1 SEM images of normal and graphene oxide coated current collectors 29 -- 3.2 Voltage generation patterns of various microbial fuel cells 31 -- 4. Conclusions 32 -- 5. References 33 -- V. Conclusions 35 |
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| dc.format.extent | 40 | - |
| dc.language | eng | - |
| dc.publisher | DGIST | - |
| dc.subject | Microbial fuel cells | - |
| dc.subject | Photoactive material | - |
| dc.subject | Hybrid solar System | - |
| dc.subject | Anodization | - |
| dc.subject | Oxygen reduction reaction | - |
| dc.subject | 미생물 연료전지 | - |
| dc.subject | 광활성 물질 | - |
| dc.subject | 광 하이브리드 시스템 | - |
| dc.subject | 양극산화 | - |
| dc.subject | 산소환원반응 | - |
| dc.title | Development of Hybrid Microbial Fuel Cell for Improved Power Generation under Solar Irradiation | - |
| dc.title.alternative | 태양빛을 이용한 파워 생산 효율이 증가된 하이브리드 미생물 연료전지의 개발 | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.identifier.doi | 10.22677/thesis.1915992 | - |
| dc.description.alternativeAbstract | 세계적으로 인구의 수는 꾸준히 증가해 왔고, 이러한 인구수의 증가는 에너지를 필요로 할 것 이며 동시에 지구온난화를 초래하는 이산화탄소와, 물을 오염시키는 물질들을 발출할 것이다. 이러한 문제는 새로운 신·재생 에너지 기술의 개발로 해결 해야 할 것이다. 미생물 연료전지(Microbial fuel cells, MFCs)는 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술 중 하나로 각광을 받고 있다. 미생물 연료전지란 anode 쪽에 붙어 자라는 미생물들의 촉매작용을 이용하여 유기물에 저장되어 있는 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 전기화학적으로 활성이 있는 미생물들은 전자를 만들고 이를 anode 로 전달할 수 있다. 이 전자는 current collector와 저항으로 이루어진 외부 회로를 통해 흐른다. 이 전자는 cathode 로 가며, 전해질로부터 확산돼 온 양성자, 외부에서 확산되어 온 산소와 결합하여 최종 생성물로 물을 만들게 된다. 이러한 반응을 산소환원반응 이라고 한다. 미생물 연료전지의 경우 단일 균으로 작동하는 것 보다 혼합된 균을 사용했을 경우 비교적 많은 파워가 생성되었다. 미생물 연료전지 내에 있는 미생물 군집의 분석을 통해 다양한 조성이 있다는 것이 알려졌다. 일반 무기 연료전지와 비교해 봤을 때 미생물 연료전지는 몇 가지 장점이 있다. 우선, 전기가 미생물에 의한 오염물질의 분해로부터 발생하기 때문에 환경 친화적이다. 무기 연료전지의 경우는 오염물질을 분해하면서 전기를 발생시키지는 않는다. 또한 무기 연료전지의 경우 사용할 수 있는 연료가 수소 (H2), 메탄올 (CH3OH) 및 에탄올 (CH2CH3OH) 등으로 제한적이다. 하지만 미생물 연료전지의 경우, 탄소를 함유하고 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 이 기술은 지역 하수처리장에 적용시켜서 사용할 수 있을 것으로 기대되었다. 하지만, 낮은 효 율과 비싼 재료 값은 미생물 연료전지를 이용하는데 있어 장애물로 작용한다. 미생물 연료전지의 또 다른 문제점은 current collector 와 anode 사이의 느슨한 접촉으로부터의 불안정한 전압 생성이다. 이러한 문제점은 높은 내부 저항과, 전지의 구성으로부터 온다. 따라서 내부 저항을 낮추거나, 미생물로부터 전극으로 전자를 전달하는 효율을 높임으로써 미생물 연료전지의 전력 생산을 높이려는 다양한 연구가 진행되었다. 미생물 연료전지의 전력 생산양은 급격하게 향상되어왔지만, 미생물 연료전지를 실질적인 바이오 전기 생산 장비로 이용하기 위해서는 추가적인 효율의 향상이 요구된다. 태양 에너지와 hybrid 된 시스템은 미생물 연료전지의 효율을 높이기 위한 여러 가지 방법들 중 한가지가 될 수 있다. 태양에너지는 고갈될 우려가 없는 에너지 자원이다. 한 시간 동안 지구에 도달하는 태양에너지의 양은 1 년간 소비되는 국제 에너지 소비량과 비슷하다. 따라서 태양빛으로부터 오는 에너지를 수집 하는 것은 에너지 공급 수요를 다룰 수 있는 유망한 방법이다. 미생물 연료전지를 태양에너지와 결합하려는 시도들이 있었다. 예를 들어, 미생물 전기 분해셀로부터 수소를 생산하기 위해 태양전지로부터 전원을 공급받는 시스템이 연구되었다. 이 연구 에서, 연료감응 태양전지가 외부 전원 공급원으로 사용되었다. 또한 미생물 연료전지의 경우 광합성미생물이 전기 생산을 위해 사용되었다. 이 경우 외부에서 유기물질이나 영양분을 넣어주지 않아도 전기 생산이 가능하다. 최근에는, 추가적인 외부 전원 공급원 없이 미생물 연료전지와 태양 에너지만을 이용하여 수소를 생산하는 장비가 개발되었다. 하지만 태양에너지를 이용하여 미생물 연료전지의 산소환원반응속도를 증가시키려는 시도는 없었다. 산소환원반응의 속도는 느리기 때문에 미생물 연료전지의 전체적인 효율을 감소시키는 여러 가지 요인들 중 한가지이다. 따라서 이 연구에서는 첫째로, 태양에너지를 수집할 수 있는 hybrid solar microbial fuel cell (SMFC) 시스템에 대해 조사되었다. 적당한 반도체 물질을 사용하면 태양 빛을 받음으로써 전자를 생성할 수 있고, 생성된 전자는 cathode 로 이동하여 산소환원반응에 참여할 수 있다. 따라서 반도체 물질로 매장량이 많고, 가격이 저렴하고, 화학적으로 안정한 특성 때문에, 티타늄 호일 표면에 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브를 형성시켜 사용하였다. 우선 티타늄 호일 표면에 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브를 만들기 위해 에틸렌글라이콜 (ethylene glycol) 용액 속에서 양극 산화시켰다. 에틸렌글라이콜 용액 속에는 0.5 중량%의 암모늄플로라이드 (NH4F)와 2 볼륨%의 증류수가 포함되어 있으며, 상대전극으로는 카본페이퍼가 사용되었다. 양극산화는 40 V 에서 30 분간 이루어 졌으며, 반응 뒤 표면에 있는 불순물들을 제거하기 위해 증류수로 헹궈준 뒤에 에탄올에서 2 분간 초음파분쇄 하였다. 세척된 티타늄 호일 표면에 있는 비결정질의 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브를 아나타제 구조로 만들어주기 위하여 가열로 안에서 450 ˚C 에서 2 시간동안 annealing 시켜줬다 (승온속도 : 2 ˚C/min). XRD, XPS, FE-SEM 그리고 photocurrent 측정을 이용하여 이렇게 만들어진 photoanode 의 특성을 분석하였다. FE-SEM 분석을 통해 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브의 구조를 관찰하였다. 분석 결과 pore 의 평균 지름은 119.1 nm, 벽의 두께는 39.6 nm 그리고 나노튜브의 평균 길이는 1.42 μm 가 나왔다. XRD 분석 에서는 annealing 하기 전과 후의 데이터를 비교하였다. Annealing 을 해주기 전에는 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브가 비결정질을 띄기 때문에 티타늄 금속에 대한 XRD peak 만 볼 수 있었다. 하지만 2시간동안 annealing을 해준 경우에는 아나타제구조의 TiO2 나노튜브 peak 을 확인할 수 있었다. 또한 질소가 도핑 된 것을 확인하기 위하여 XPS 분석을 하였다. 분석 결과 survey spectra에서 O 1s, Ti 2p, N 1s 그리고 C 1s 에 대한 peak 들이 존재하는 것을 확인 할 수 있었다. N 1s peak 의 경우 399.8 eV 에서 peak 이 나왔다. TiN 결합이나 화학적으로 흡착된 N 1s peak 의 경우 397.5 eV보다 낮은 곳에서 나오며, NO 또는 NO2 결합에서 오는 N 1s peak 은 400 eV 보다 높은 곳에서 나온다. Ti 2p3/2 peak 의 경우 458.3 eV 에서 나왔는데 이는 일반적으로 459.3 eV 에서 나오는 TiO2의 Ti 2p3/2 peak 보다 낮은 곳에서 나왔다. 이러한 peak shift 현상은 음이온의 전기음성도 감소로 인해 이온 성 또한 감소했기 때문이다. O 1s core peak 의 경우 530 eV 에서 나왔는데, 531 eV 에서 peak 의 폭이 넓어지는 현상은 N-TiO2 sample 에서 발견되는 현상이다. C 1s peak 의 경우 기준 peak 으로 사용되었다. 위에서 언급한 결과들에 의해 질소가 TiO2 격자에 도핑이 되었다는 것을 알 수 있다. 질소를 TiO2 에 도핑 할 경우 밴드 갭이 줄어들기 때문에 가시광선 영역의 빛을 흡수 할 수 있다. 따라서 일반 TiO2를 사용하는 것보다 더 많은 전자의 생성이 가능하게 된다. 마지막으로 photoanode 의 전기화학적 특성을 분석하기 위해 photocurrent 를 측정하였다. 전해질은 2 g/L 의 농도로 만들어진 glucose medium 을 이용하였으며, Ag/AgCl 전극을 기준전극으로, platinum wire 를 상대전극으로 사용하였다. 기준전극 대비 -0.8 V 부터 0.8 V 까지 측정하였고, 측정 결과 0 V 에서 0.26 mA 의 photocurrent 값을 보였다. 이렇게 준비된 photoanode 를 미생물 연료전지에 적용 시키기 위해 일반적인 미생물 연료전지를 3 개월 이상 작동시켰다. 미생물 연료전지의 전압 생성 패턴이 안정화 되고 난 후, photoanode 를 일반적인 단일 미생물 연료전지에 연결하였고, 전기화학적인 분석을 위해 I-V curve 와 powerdensity 를 측정하였다. Anode 는 기준전극 겸 상대전극으로 사용되었고, cathode 는 작업전극으로 사용되었다. 전류를 200 μA 씩 바꿔가면서 1 분동안 가해줬고 그때 나오는 전압 값을 기록하였다. 전류의 값이 0 이하로 떨어질 때까지 측정을 계속해줬다. 측정 결과로 얻은 IV curve 를 통해 photoanode 에 빛을 조사해줬을 경우 더 회로에 더 많은 양의 전류가 흐른다는 것을 알 수 있었다. 이 추가적인 전류는 photoanode 에 빛을 조사함으로써 생성되는 전자로부터 기인한 것이며, 이 전자들은 cathode 쪽에서 산소환원반응에 참여할 수 있다. 따라서 산소환원반 응의 속도를 증가시킬 수 있다. Power density 의 결과로부터 빛을 조사했을 경우 빛을 조사하지 않은 반응조에 비해 power density 가 34.9% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 산소환원반응속도의 증가로 인한 미생물 연료전지의 효율 증가를 보기 위해 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브가 photoanode 로 이용되었다. 이러한 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브는 티타늄 호일을 에틸렌글라이콜 용액에서 양극산화를 통해 얻어졌으며 이러한 photoanode 의 특성은 FE-SEM, XRD, XPS 그리고 photocurrent 를 통하여 분석하였다. 분석 결과 질소가 도핑 된 TiO2 나노튜브가 티타늄 호일 표면에 형성되었으며, Ag/AgCl 기준전극 대비 0 V 에서 0.26 mA 의 photocurrent 가 생성되었다. 이렇게 추가적으로 생성된 전자는 회로의 전류 값을 증가시켰으며 결론적으로 빛을 조사하지 않았을 때에 비해 34.9% 증가된 power density 값을 보였다. 둘째로, 미생물 연료전지의 또 다른 문제점 중 하나는 current collector 와 anode 사이의 느슨한 접촉이다. 따라서 current collector 의 종류, 구조 그리고 graphene oxide 를 코팅했을 경우 미생물 연료전지에 어떤 영향을 미치는지에 대해 조사되었다. 사용된 current collector 의 종류는 Ti-wire, G-Ti-wire, Ti-mesh, G-Ti-mesh, AA-Ti-mesh, G-AA-Ti-mesh, SUS304-mesh, GSUS304-mesh, A-SUS304-mesh, G-A-SUS304-mesh 로 총 10 가지였다. 우선 Ti-mesh와 SUS304-mesh에 나노 구조를 만들기 위해 에틸렌글라이콜 용액 속에서 양극산화시켰다. 그 뒤 Ti-mesh 의 경우 표면의 불순물들을 제거하기 위해 증류수로 씻어준 뒤 에탄올 용액에서 2 분간 초음파분쇄 시켜줬다. 그리고 표면에 아나타제구조의 TiO2 나노튜브를 만들기 위해 450 ˚C 에서 1 시간동안 annealing 했다. 그리고 나서 graphene oxide 를 코팅하기 위해 Ti-wire, Ti-mesh, A-Ti-mesh, SUS304-mesh, A-SUS304-mesh 를 각각 0.5 mL 의 grapheneoxide 용액에 2 시간동안 담궈두었다가 꺼내 60 ˚C 에서 건조시켰다. FE-SEM 을 통해 준비된 current collector 들의 표면 구조를 관찰하였다. 관찰 결과 양극산화 후 annealing한 Ti-mesh의 경우 표면에 나노튜브들이 형성된 것을 확인할 수 있었고, 양극 산화된 SUS304-mesh 의 경우 표면에 나노 사이즈의 다공들이 형성된 것을 확인할 수 있었다. Current collector 에 graphene oxide 를 코팅한 경우 주름이 진 표면을 확인 할 수 있었다. 준비된 current collector 들을 이용하여 미생물 연료전지들을 셋업 한 뒤 멀티미터를 이용하여 반응조로부터 생성되는 전압 값을 기록하였다. 전압 값들을 비교 해본 결과 G-A-SUS304-mesh current collector 를 이용한 미생물 연료전지에서 가장 높은 전압이 생성되었다. 하지만 10 가지의 다른 current collector 들을 사용한 반응조에서 생성된 전압값에는 큰 차이가 없었다. 따라서 좀 더 정확한 분석을 위해서는 EIS, CV, I-V curve 및 power density 와 같은 추가적인 전기화학적 분석이 필요할 것으로 생각된다. ⓒ 2015 DGIST |
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| dc.description.degree | Master | - |
| dc.contributor.department | Energy Systems Engineering | - |
| dc.contributor.coadvisor | Kim, Ma Rie | - |
| dc.date.awarded | 2015. 2 | - |
| dc.publisher.location | Daegu | - |
| dc.description.database | dCollection | - |
| dc.date.accepted | 2015-01-12 | - |
| dc.contributor.alternativeDepartment | 대학원 에너지시스템공학전공 | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Kim, Hyeon Woo | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | In, Su Il | - |
| dc.contributor.alternativeName | 김현우 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 인수일 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 김마리 | - |
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- Department of Energy Science and Engineering Theses Master
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