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解决了限制生物燃料电池性能的主要挑战!

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发表时间:2018-11-20 14:50来源:科技工作者之家

新型生物燃料电池中用作电极的普通棉纤维和金属棉纤维。

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  美国乔治亚理工学院和韩国高丽大学的研究人员用组装在棉纤维上的金纳米颗粒制造了高导电性电极,提高了生物燃料电池的效率,将葡萄糖氧化酶与电极连接起来,解决了限制生物燃料电池性能的主要挑战之一。这种电池提供的能量是传统生物燃料电池的两倍,可以与电池或超级电容器搭配使用,为心脏起搏器和传感器等可植入医疗设备提供动力。这项研究的结果近日发表在《自然通讯》杂志上。


  “我们可以把这个装置作为一个连续的能量源,将体内葡萄糖的化学能转化为电能,用于制造金电极的逐层沉积技术精确地控制了金纳米颗粒和酶的沉积,极大地提高了燃料电池的功率密度,可达3.7毫瓦每平方厘米。”乔治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院的助理教授Seung Woo Lee说。


  棉纤维由多条亲水性微纤维(含有羟基的纤维素纤维)组成,研究人员将直径约8nm的金纳米颗粒用有机链接材料组装到了多孔的棉纤维上,用葡萄糖氧化酶与胺功能化小分子TREN交替进行分层形成氧化葡萄糖的阳极,用具有电催化能力的镀金电极形成发生氧还原反应的负极。“我们精确地控制了酶的含量,制造了一个非常薄的叠层,从而改善了导电底物和酶之间的电荷传输。我们已经在材料之间建立了非常紧密的联系,所以电子的传输会更容易。”Lee说。


美剧天堂  与尼龙纤维相比,棉花的孔隙率可以增加金层的数量。“棉花有许多孔隙,可以支持电化学设备的活性,而且棉纤维是亲水的,这意味着电解液很容易浸湿表面。”客座教授、论文的作者之一Yongmin Ko解释说。除了提高电极的导电性外,棉纤维还可以提高装置的生物相容性。该装置的设计初衷是在低温下工作,以便在体内使用。


美剧天堂  可植入的生物燃料电池会随着时间的推移而退化,而由美国和韩国团队开发的新电池提高了长期使用的稳定性。Lee说:“有了创记录的高功率性能,起搏器等生物医学设备的寿命应该会得到改善。”心脏起搏器和其他植入式设备现在使用的是电池,这些电池可以使用数年,但在手术的过程中可能需要更换。Lee补充说,新的生物燃料电池可以为这些电池提供持续的电力,有可能在不更换电池的情况下延长设备的运行时间。


  此外,为了定时释放药物,临床上经常会植入一些临时设备,随着时间的推移,它们会生物降解,无需手术移除。而新型生物燃料电池可以为这些不包含电池的医疗设备提供所需的有限电力。


  未来的研究目标包括演示生物燃料电池与能量储存装置的运作,并开发一种功能性的可植入电源。“我们希望开发其他的生物设备,并在包含电池和高性能存储的其他设备上做更进一步的研究。”Lee说。

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