單室無膜微生物燃料電池在柔性可穿戴器件應用研究

2020-11-24 OFweek維科網

【引言】

基於纖維織物的柔性可穿戴電子器件可以對人體進行實時健康檢測。這不僅需要將電源、傳感器等電子元件高度集成在空間狹小的區域內，還需要在劇烈的機械變形條件下保持器件有較高的輸出功率，並始終保持器件與皮膚的良好接觸以及較高的人體舒適度。微生物燃料電池（MFC）作為一種能夠自組裝、自修復、自我維持、環境友好的生物電源，不僅能充分利用人體汗液、唾液、血液等體液中的有機物，將其中豐富的化學能轉化為源源不斷的電能，還具有相當高的生物兼容性和電化學穩定性。目前，以微生物燃料電池作為電源的柔性可穿戴電子器件主要面臨著輸出電流密度低、輸出功率低等重大挑戰。

【成果簡介】

近日，美國紐約州立大學賓漢頓分校的Seokheun Choi助理教授（通訊作者）課題組設計並製備了集成在單張纖維織物上的單室無膜微生物燃料電池。研究人員以市售的單層纖維織物（92 %滌綸纖維：8 %氨綸纖維）作為基底，經制模、絲網印刷、噴碳等工藝步驟分別在纖維織物的正、反面對柔性正、負極進行加工，並對纖維織物表面不同區域採用親水化或疏水化處理的方法來定義正極區和負極區。該微生物燃料電池以溶有乙二醇（EG）的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚磺苯乙烯（PEDOT:PSS）漿料修飾負極室，並加入3-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基矽烷（3G）以增強其親水性，最後向其中接種一定濃度的銅綠假單胞菌（PAO1）作為微生物催化劑；正極用含有Ag2O的PEDOT:PSS漿料製備，Ag2O經還原得到Ag2O/Ag複合正極，其中的Ag被通入的空氣氧化再次得到Ag2O。該微生物燃料電池的內阻約為10 kΩ，當外電路負載10 kΩ的電阻時能達到52 μA/cm2的電流密度和6.4 μW/cm2的最大功率密度，其電化學性能接近於目前的柔性紙基微生物燃料電池水平，並遠遠超過了以柔性織物為基底的微生物燃料電池。在反覆拉伸、扭轉的動態力學測試條件下，儘管纖維織物表面的導電碳層發生部分斷裂並引起電池內阻升高，電極活性材料仍能牢固附著在纖維織物表面，從而保證機械變形條件下仍有較穩定的輸出電流及功率密度。該研究成果以「Flexible and Stretchable Biobatteries: Monolithic Integration of Membrane-Free Microbial Fuel Cells in a Single Textile Layer」為題，發表在Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1. 微生物燃料電池的結構

(a) 在19×19 cm2的單層纖維織物上一次同時製造由5×7個微生物燃料電池陣列的結構示意圖。

(b) 微生物燃料電池的正、負極結構及其工作原理。

(c) 正、負極及其組裝在同一張纖維織物上的示意圖。

(d) 拉伸和扭轉條件下的微生物燃料電池。

圖2. 在單層纖維織物上批量製造微生物燃料電池陣列

(1) 先用雷射加工濾紙得到具有特定幾何形狀的模板，再採用噴膠的方式把模板固定到纖維織物表面。

(2) 採用絲網印刷的方式向纖維織物表面塗覆具有特定組分的漿料。

(3) 在模板上噴碳形成連接各微生物燃料電池的導電碳層並移除模板。

(4) 在負極上噴塗疏水蠟層以定義負極室邊界，並在負極室內部加入3G漿料以增強其親水性。

(5) 最後通過雷射切割得到由一定數量的微生物燃料電池組成的陣列。

圖3. 正、負極形貌表徵

(a) 用3G/EG/ PEDOT:PSS漿料處理過的負極SEM圖像。

(b) 用PEDOT:PSS/Ag2O漿料處理過的負極SEM圖像。

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