美國賓漢姆頓大學研製出新型紙基生物燃料電池

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

近日，美國賓漢姆頓大學開發出一種紙基的微生物燃料電池，它不僅可生物降解，而且效率比之前更高。

背景

造紙術，是中國古代四大發明之一。紙，是中國古代勞動人民的智慧結晶，人類文明史上的一項傑出的發明創造。如今，紙張已廣泛應用於人類生活的諸多方面，例如：紙幣、紙巾、試紙、書本等等。

如今，新興的電子技術，讓歷史悠久的紙張又煥發出了新的活力。紙電子（Papertronics ）是一個極具前景的新興科技領域。與紙張的結合，讓電子產品擺脫笨重僵硬的傳統形象，變得柔性、輕量、生物可降解。此外，紙張還具有成本低廉，可循環利用等優勢。

科學家們已研發出各式各樣的紙電子產品，例如：電晶體、顯示器、電池、傳感器、智能標籤等。

柔性紙基板上的電晶體（圖片來源：Emily Cooper）

紙基板上的有機發光二極體（圖片來源: Jin-Young Kim / 成均館大學）

紙基板上的柔性太陽能陣列（圖片來源: Patrick Gillooly/麻省理工學院）

紙基醫療診斷裝置（圖片來源：普渡大學/Aniket Pal）

紙張上的RFID標籤（圖片來源：Eric Brockmeyer/迪士尼研究院）

接下來，讓我們重點關注美國賓漢姆頓大學託馬斯·沃森工程和應用科學學院電氣和計算機工程系的助理教授 Seokheun 「Sean」 Choi 在紙基電池方面的研究成果。

2016年6月，筆者曾介紹過 Choi 教授的團隊開發出摺紙飛鏢式樣的微生物燃料電池，可以給為一次性的紙基生物傳感器以及其他微型設備供電。

2016年12月，筆者曾介紹過 Choi 教授團隊開發出由細菌提供能量的紙電池，它不僅可以為生物傳感器供電，還可以用於淨化環境。

（圖片來源：賓漢姆頓大學）

多年來，科學界一直將紙電池當成傳統電池的一種生態友好的替代品。但是，科學家們提出的眾多設計方案一直沒能足夠強大，這些紙電池都難以生產製造，而且它們是否真正可生物降解還值得懷疑。

創新

然而，美國漢姆頓大學 Choi 教授在紙基電池領域的最新研究成果，有望解決上述問題。

這一次，Choi 教授與該校化學系教授 Omowunmi Sadik 合作開發出一種可生物降解的紙基電池，其效率比之前更高。Choi 教授負責紙基電池的設計，而 Sadik 教授負責讓電池變成一種自我維持的生物電池。

（圖片來源：賓漢姆頓大學）

研究論文題為「綠色生物電池：混合紙-聚合物的微生物燃料電池」（Green Biobatteries: Hybrid Paper-Polymer Microbial Fuel Cells），發表在《Advanced Sustainable Systems》期刊上。

技術

該電池採用了紙張與工程聚合物的混合物。聚合物【poly (amic) acid 和 poly (pyromellitic dianhydride-p-phenylenediamine】是賦予電池生物可降解特性的關鍵。團隊測試了電池在水中的降解，結果顯示電池在水中明顯地降解了，並且無需任何特殊裝置、條件或引入其他微生物。

（圖片來源：賓漢姆頓大學）

價值

「聚合物-紙」結構是輕量、低成本且柔性的。Choi 表示，柔性也帶來了另外一個益處。Choi 說：「通過簡單地摺疊或者堆疊混合紙-聚合物的柔性設備有望增強功率。」

團隊表示，生產這種生物電池的工藝非常簡單明了，而且根據所需的配置，材料可進行修改。

Choi 表示：「電子垃圾急劇增長，這有望成為減少電子垃圾的一種絕佳方法。我們的混合型紙電池表現出的功率成本比（power-to-cost ratio），比之前報導的紙基微生物電池要高得多。」

關鍵字

紙電子、電池、環保

參考資料

【1】https://www.binghamton.edu/news/story/1227/scientists-create-biodegradable-paper-based-biobatteries

【2】Maedeh Mohammadifar, Idris Yazgan, Jing Zhang, Victor Kariuki, Omowunmi A. Sadik, Seokheun Choi. Green Biobatteries: Hybrid Paper-Polymer Microbial Fuel Cells. Advanced Sustainable Systems, 2018; 1800041 DOI: 10.1002/adsu.201800041

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