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單室無膜MFC在柔性器件應用

2026-04-11 13:18:335038

OFweek可穿戴設備網報道：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chuan感gan器qi等deng電dian子zi元yuan件jian高gao度du集ji成cheng在zai空kong間jian狹xia小xiao的de區qu域yu內nei，還hai需xu要yao在zai劇ju烈lie的de機ji械xie變bian形xing條tiao件jian下xia保bao持chi器qi件jian有you較jiao高gao的de輸shu出chu功gong率lv，並bing始shi終zhong保bao持chi器qi件jian與yu皮pi膚fu的de良liang好hao接jie觸chu以yi及ji較jiao高gao的de人ren體ti舒shu適shi度du。微wei生sheng物wu燃ran料liao電dian池chi（MFC）作為一種能夠自組裝、自修複、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(xue)液(ye)等(deng)體(ti)液(ye)中(zhong)的(de)有(you)機(ji)物(wu)，將(jiang)其(qi)中(zhong)豐(feng)富(fu)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)源(yuan)源(yuan)不(bu)斷(duan)的(de)電(dian)能(neng)，還(hai)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)高(gao)的(de)生(sheng)物(wu)兼(jian)容(rong)性(xing)和(he)電(dian)化(hua)學(xue)穩(wen)定(ding)性(xing)。目(mu)前(qian)，以(yi)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)電(dian)源(yuan)的(de)柔(rou)性(xing)可(ke)穿(chuan)戴(dai)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)主(zhu)要(yao)麵(mian)臨(lin)著(zhe)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)低(di)、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，經製模、絲網印刷、噴碳等工藝步驟分別在纖維織物的正、反麵對柔性正、負極進行加工，並對纖維織物表麵不同區域采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(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，其(qi)電(dian)化(hua)學(xue)性(xing)能(neng)接(jie)近(jin)於(yu)目(mu)前(qian)的(de)柔(rou)性(xing)紙(zhi)基(ji)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)水(shui)平(ping)，並(bing)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)過(guo)了(le)以(yi)柔(rou)性(xing)織(zhi)物(wu)為(wei)基(ji)底(di)的(de)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。在(zai)反(fan)複(fu)拉(la)伸(shen)、扭(niu)轉(zhuan)的(de)動(dong)態(tai)力(li)學(xue)測(ce)試(shi)條(tiao)件(jian)下(xia)，盡(jin)管(guan)纖(xian)維(wei)織(zhi)物(wu)表(biao)麵(mian)的(de)導(dao)電(dian)碳(tan)層(ceng)發(fa)生(sheng)部(bu)分(fen)斷(duan)裂(lie)並(bing)引(yin)起(qi)電(dian)池(chi)內(nei)阻(zu)升(sheng)高(gao)，電(dian)極(ji)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)仍(reng)能(neng)牢(lao)固(gu)附(fu)著(zhe)在(zai)纖(xian)維(wei)織(zhi)物(wu)表(biao)麵(mian)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)機(ji)械(xie)變(bian)形(xing)條(tiao)件(jian)下(xia)仍(reng)有(you)較(jiao)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)及(ji)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。該(gai)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“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。

(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) 先用激光加工濾紙得到具有特定幾何形狀的模板，再采用噴膠的方式把模板固定到纖維織物表麵。

(2) 采用絲網印刷的方式向纖維織物表麵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) 最後通過激光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、負極形貌表征

(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。

圖4. 不同負極麵積下微生物燃料電池的輸出功率及功率密度

負極表觀麵積分別為0.25、0.4、0.5、0.75、1、1.25 cm2時微生物燃料電池的(a) 光學照片；(b) 輸出功率；(c) 輸出功率密度。

圖5. 不同電流密度下的極化曲線和輸出功率密度

小的負極表觀麵積更有利於PAO1在電極表麵均勻分布，從而使電流密度分布均勻並產生最大的功率密度。該圖為負極表觀麵積為0.25 cm2時所得。

圖6. 機械變形條件下的實時電化學測試

(a) 機械變形後正、負極及其集流體的SEM圖像。

(b) 機械變形過程中輸出電壓隨時間變化的圖像，測試時負載的外電阻為10 kΩ。

(c-e) 輸出電流密度隨循環加載次數的變化，其中(c) 循環拉伸測試，伸長率為50%；(d) 拉伸後保持1min再卸載，伸長率為50%；(e) 180度扭轉測試，每5s進行一次。

【小結】

這項工作將微生物燃料電池的正、負極高度集成在單張纖維織物的正、反麵，並采用不含質子交換膜的單室電池構型，大幅簡化了微生物燃料電池的製備過程，並提高了其輸出電流和輸出功率。高度導電、親水的負極表麵有利於提高負極電解液中PAO1的產電效率，由PAO1自身代謝產生的電子中介體能有效保證機械變形過程中輸出電流及功率密度的穩定性。在這項工作中，研究人員展示了在單張麵積為19×19 cm2的單層纖維織物上一次同時製造由5×7geweishengwuranliaodianchizhenliedegaoxiaolvzhibeiguocheng。zheyiweizhekuaisupiliangzhizaoweishengwuranliaodianchizhenliedebiaozhunhuamoshiyijuchuxing，weixiayidairouxingkechuandaidianziqijiandemianshidianliangleshuguang！