可拉伸生物燃料电池领域研究进展

文摘 2024-12-02 07:30 上海

来源：中国科学技术大学

10月28日，中国科大苏州高等研究院苏育德研究员团队在国际期刊《Small》上发表了题为“Fully Stretchable Microbial Fuel Cell with 75% Stretchability”的研究论文。该研究将微生物燃料电池的拉伸性提高到75%，对未来可拉伸自供能体系的设计与应用具有指导意义。

可穿戴自供能技术是维持人体和软体机器人可穿戴电子设备长期运行的关键。微生物燃料电池可以利用微生物将汗液中的化学能（如乳酸，葡萄糖、尿毒等）转化为电能，被认为是一种自然且有效的潜在自供能技术。生物燃料电池的可拉伸性是其在动态力学环境下运行的关键。然而，实现可拉伸微生物燃料电池十分困难。其难点在于微生物燃料电池各个组件（阳极、阴极、离子交换膜、细菌催化剂和封装层）在拉伸状态下无法同步地保持其原有功能。

基于此，本论文研究了一种完全可拉伸的微生物燃料电池器件，可以在高达75%的拉伸条件下稳定运行。其中，器件的关键部分为基于还原氧化石墨烯/希瓦氏菌生物—非生物杂化材料的可拉伸生物阳极。随着拉伸程度的增加，该可拉伸生物阳极内阻逐渐降低，并可以在不断拉伸和收缩的力学刺激下维持生物电流的产生。同时，器件中其余所有组件均采用可拉伸材料的设计和封装集成，最终实现了75%的器件整体同步拉伸，并未出现结构断裂或细菌泄露等问题。本研究对可拉伸微生物燃料电池的性能进行了测试。随着拉伸程度逐步增加，燃料电池内阻持续降低。在拉伸程度为0%、25%、50%和75%时，输出功率密度分别达到5.0 ± 0.7、5.9 ± 0.9、6.2 ± 1.1、6.6 ± 1.4 μW cm−2。该可拉伸微生物燃料电池对可穿戴自供能体系的设计与应用具有指导意义。

可拉伸微生物燃料电池的结构示意图

中国科学技术大学纳米科学技术学院博士生彭士哲为本文第一作者，苏育德研究员为本文末位通讯作者。该工作得到国自然面上项目、科技部重点研发计划青年项目的经费支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202407614

（苏州高等研究院、纳米科学技术学院）

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