본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)로 개질된 탄소종이 전극을 기반으로, 포도당 산화효소(GOx)-트레할로스 분해효소(TREH)가 고정화된 anode와 빌리루빈 산화효소(bilirubin oxidase, BOD)가 고정화된 cathode로 구성된 트레할로스 연료전지를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 특히, ferrocene methanol (FcMeOH)과 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS)를 각각 anode와 cathode에 효소와 함께 고정화하였다. 주사전자현미경-에너지분산형 분광분석을 통해, SWCNTs, 효소 및 전자전달체가 전극 표면에 성공적으로 도입되었음을 확인하였다. Cyclic voltammetry 분석에서는 0.2 V 부근에서 FcMeOH의 산화전류 피크가 관찰되었으며, SWCNTs가 도입된 전극(CP-SWCNT)에서 더 강한 산화전류가 나타났다. 또한 생학화적 분석에서도 CP-SWCNT 전극에 고정화된 GOx가 더 높은 효소 활성을 보였다. 전기화학 임피던스 분광법 분석에서는 SWCNT 도입에 따라 전하전달 저항이 감소하고 전자전달 특성이 향상됨을 확인하였다. GOx-TREH 이효소 전극은 트레할로스 존재 시 높은 산화전류를 생성하였고, BOD 기반 cathode는 산소 포화 조건에서 높은 환원 전류를 보였다. 최종적으로 제작된 트레할로스 연료전지는 약 0.6 V의 개방회로 전압과 최대 11.7±0.9 μW/cm²의 전력밀도를 나타내어, SWCNTs 기반 전극 개질, 효소 및 전자전달체 고정화 전략이 연료전지 성능 향상에 효과적임을 입증하였다.

In this study, a trehalose enzymatic fuel cell was fabricated and evaluated using carbon paper electrodes modified with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), consisting of a glucose oxidase (GOx)-trehalase (TREH)-immobilized anode and a bilirubin oxidase (BOD)-immobilized cathode. In particular, ferrocene methanol (FcMeOH) and 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) were co-immobilized with the enzymes on the anode and cathode, respectively. SEM-EDS analysis confirmed the successful introduction of SWCNTs, enzyme, and electron transfer mediator onto the electrode surfaces. Cyclic voltammetric analysis revealed a distinct oxidation peak of FcMeOH near 0.2 V, and the SWCNT-modified electrode (CP-SWCNT) exhibited a higher oxidation current than the bare CP. In addition, biochemical analysis demonstrated that GOx immobilized on the CP-SWCNT electrode showed higher enzymatic activity. EIS analysis indicated that the introduction of SWCNTs reduced the charge transfer resistance and improved the electron transfer properties of the electrode. The GOx-TREH bienzyme electrode generated a high oxidation current in the presence of trehalose. In addition, the BOD-based cathode exhibited a high reduction current under oxygen-saturated conditions. The fabricated trehalose enzymatic fuel cell exhibited an open-circuit voltage of approximately 0.6 V and a maximum power density of 11.7±0.9 μW/cm², demonstrating that the SWCNT-based electrode modification and enzyme/electron transfer mediator immobilization strategy were effective for improving enzymatic fuel cell performance.

Trehalose fuel cell Single-walled carbon nanotubes Enzyme-mediator co-immobilization Cascade enzyme reaction Ferrocene methanol