Human urine is considered as an alternative source of hydrogen and electricity due to its abundance and high energy density. In this thesis, I show the utility of human urine as a chemical fuel for driving redox biocatalysis in a photoelectrochemical cell. Ni(OH)2-modified α-Fe2O3 is selected as a photoanode for the oxidation of urea in human urine and black silicon (bSi) is used as a photocathode material for nicotinamide cofactor (NADH) regeneration. The electrons extracted from human urine are used for the regeneration of NADH, an essential hydride mediator that is required for numerous redox biocatalytic reactions. The catalytic reactions at both the photoanode and the photocathode were significantly enhanced by light energy that lowered the overpotential and generated high currents in the full cell system.
자연계에 존재하는 녹색 식물은 태양 에너지를 이용하여, 이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하는 광합성 시스템을 가지고 있다. 최근 에너지 고갈에 대한 문제와 환경 오염의 문제를 해결하기 위해, 이러한 자연계 광합성 시스템을 모방하여, 반도체 물질을 이용함으로써 지속 가능한 자원(태양 에너지)으로부터 청정한 수소 연료를 생산하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 또한 진정한 인공 광합성 시스템을 구현하기 위하여, 태양 에너지로부터 생물학적 수소 형태인 NAD(P)H를 재생하고자 하는 연구가 진행되었다. NAD(P)H는 광합성 과정에서 생성되는 에너지 전달 매개체로써, 명 반응(light-dependent reaction)에서 생성되며, 암 반응(light-independent reaction)에서 산화 환원 효소에 의해, 이산화탄소로부터 탄수화물이 합성되는 반응에 이용된다. 뿐만 아니라, NAD(P)H는 다양한 생채 촉매 기반의 산화 환원 반응에 이용되어, 높은 선택 성을 가지고 고부가가치 화합물을 만들 수 있기 때문에, 지속적인 산화환원 효소 반응을 위한 NAD(P)H의 재생은 산화 환원 촉매 반응의 산업적인 응용 측면에 있어서 중요하다.
인공 광합성에서는 주로 물로부터 전자를 얻고, 이를 화학 연료형태로 저장하는데, 최근 유기 폐기물(바이오 연료)로부터 전자를 얻어 화학 연료를 생산하는 연구가 진행되고 있다. 이것은 유기 폐기물을 처리하는 것과 동시에, 가치 있는 연료를 생산할 수 있다는 부분에서 에너지적 관점이나, 환경적인 관점에서 매력적이라 할 수 있다. 따라서 본 학위 논문에서는 인간의 소변에 존재하는 요소로부터 전자를 얻고, 이를 NADH재생에 이용하는 연구를 진행하였다. 이를 실현하기 위하여, 광 양극 물질로 산화 철(α-Fe2O3)을 이용하였고, 산화 철 표면에 요소 산화 촉매로 알려진 수산화 니켈 (Ni(OH)2) 을 코팅하였다. 광 음극 물질로는 나노 크기의 다공 성 표면을 가진 블랙 실리콘을 이용하였다. 반도체 물질을 양극으로 적용함으로써, 빛을 이용하여 적은 전기에너지로 요소를 산화시킬 수 있었고, 음극 또한 블랙 실리콘이 빛을 흡수함으로써, 로듐 복합체를 통한NADH 재생이 보다 효율적으로 진행될 수 있었다. 뿐만 아니라, 재생된 NADH가 산화환원 효소 반응에 이용될 수 있음을 확인하였다. NADH에 의존하는 다양한 산화효소들이 존재하므로, 이러한 시스템을 이용한다면, 유용한 화합물들을 합성할 수 있다. 따라서, 본 연구의 광 전기화학 전지는 유기 폐기물의 처리와 생체촉매반응을 이용한 고부가가치 화합물의 합성을 연결한다는 점에서 큰 의미가 있다.
