Adv. Energy. Mater：單片集成的單室無膜微生物燃料電池助力柔性可穿戴器件

【引言】

基于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，并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）課題組設計并制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，并對纖維織物表面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，并加入3-(2,3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（3G）以增強其親水性，最后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漿料制備，Ag₂O經還原得到Ag₂O/Ag復合正極，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，其電化學性能接近于目前的柔性紙基微生物燃料電池水平，并遠遠超過了以柔性織物為基底的微生物燃料電池。在反復拉伸、扭轉的動態力學測試條件下，盡管纖維織物表面的導電碳層發生部分斷裂并引起電池內阻升高，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制造由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制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面。

(2) 采用絲網印刷的方式向纖維織物表面涂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并移除模板。

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

(5) 最后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. 不同負極面積下微生物燃料電池的輸出功率及功率密度

負極表觀面積分別為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

注：小的負極表觀面積更有利于PAO1在電極表面均勻分布，從而使電流密度分布均勻并產生最大的功率密度。該圖為負極表觀面積為0.25 cm²時所得。

圖6. 機械變形條件下的實時電化學測試

(a) 機械變形后正、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) 拉伸后保持1 min再卸載，伸長率為50 %；(e) 180度扭轉測試，每5 s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、反面，并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制備過程，并提高了其輸出電流和輸出功率。高度導電、親水的負極表面有利于提高負極電解液中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面積為19×19 cm²的單層纖維織物上一次同時制造由5×7個微生物燃料電池陣列的高效率制備過程。這意味著快速批量制造微生物燃料電池陣列的標準化模式已具雛形，為下一代柔性可穿戴電子器件的面世點亮了曙光！

文獻鏈接：Flexible and Stretchable Biobatteries: Monolithic Integration of Membrane-Free Microbial Fuel Cells in a Single Textile Layer (Adv.Energy.Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702261)

本文由材料人新能源前線王釗穎供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！