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麻省理工开发利用人体自身糖分发电的超薄燃料电池

2022-05-17 14:43:16 MIT 阅读:
该装置比其他提议的葡萄糖燃料电池更小,厚度仅为 400 纳米,约为人类头发直径的 1/100。含糖电源每平方厘米产生约 43 微瓦的电力,在环境条件下实现了迄今为止任何葡萄糖燃料电池的最高功率密度。

据EDN电子技术设计了解,麻省理工学院近日发表文章表示,他们设计了一种新型葡萄糖燃料电池,可将葡萄糖直接转化为电能。JuZednc

该装置比其他提议的葡萄糖燃料电池更小,厚度仅为 400 纳米,约为人类头发直径的 1/100。含糖电源每平方厘米产生约 43 微瓦的电力,在环境条件下实现了迄今为止任何葡萄糖燃料电池的最高功率密度。JuZednc

新设备还具有弹性,能够承受高达 600 摄氏度的温度。如果结合到医疗植入物中,燃料电池可以通过所有可植入设备所需的高温灭菌过程保持稳定。JuZednc

新设备的核心由陶瓷制成,这种材料即使在高温和微型尺度下也能保持其电化学特性。麻省理工学院和慕尼黑工业大学的工程师设想,新设计可以制成超薄膜或涂层,并包裹在植入物周围,利用人体丰富的葡萄糖供应被动地为电子设备供电。JuZednc

该论文近日发表在《先进材料》上杂志上。JuZednc

该团队并不是第一个构思葡萄糖燃料电池的人,该电池最初是在 1960 年代引入的,并显示出将葡萄糖的化学能转化为电能的潜力。但当时的葡萄糖燃料电池基于软聚合物,很快就被碘化锂电池取代,后者将成为医疗植入物的标准电源,尤其是心脏起搏器。JuZednc

然而,电池的尺寸有限,因为它们的设计需要物理容量来存储能量。JuZednc

近年来,科学家们再次将葡萄糖燃料电池视为潜在的更小的能源,直接由人体丰富的葡萄糖提供燃料。JuZednc

葡萄糖燃料电池的基本设计由三层组成:顶部阳极、中间电解质和底部阴极。阳极与体液中的葡萄糖发生反应,将糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转换释放出一对质子和一对电子。中间电解质的作用是将质子与电子分离,将质子传导通过燃料电池,在那里它们与空气结合形成水分子——一种无害的副产物,随体液流走。同时,隔离的电子流向外部电路,可用于为电子设备供电。JuZednc

该团队希望通过修改通常由聚合物制成的电解质层来改进现有材料和设计。但是聚合物的特性,连同它们传导质子的能力,在高温下很容易降解,当缩小到纳米尺寸时很难保持,而且很难消毒。研究人员想知道是否可以将陶瓷——一种可以自然传导质子的耐热材料——制成葡萄糖燃料电池的电解质。JuZednc

峰值功率JuZednc

研究人员设计了一种葡萄糖燃料电池,其电解质由二氧化铈制成,二氧化铈是一种具有高离子电导率的陶瓷材料,机械强度高,因此被广泛用作氢燃料电池的电解质。它也被证明是生物相容的。JuZednc

该团队将电解质与由铂制成的阳极和阴极夹在中间,铂是一种容易与葡萄糖反应的稳定材料。他们在一个芯片上制造了 150 个单独的葡萄糖燃料电池,每个大约 400 纳米薄,大约 300 微米宽(大约 30 根人类头发的宽度)。他们将电池图案化到硅晶片上,表明这些设备可以与常见的半导体材料配对。然后,他们测量了每个电池在定制测试站中将葡萄糖溶液流过每个晶片时产生的电流。JuZednc

他们发现许多电池产生的峰值电压约为 80 毫伏。鉴于每个电池的尺寸很小,该输出是任何现有葡萄糖燃料电池设计中最高的功率密度。JuZednc

“令人兴奋的是,我们能够获得足以为植入式设备供电的功率和电流,”西蒙斯说。JuZednc

“这是第一次将电陶瓷材料中的质子传导用于葡萄糖到能量的转换,定义了一种新型的电化学,”Rupp 说。“它将材料用例从氢燃料电池扩展到新的、令人兴奋的葡萄糖转换模式。”JuZednc

挪威奥斯陆大学化学教授特鲁斯·诺比(Truls Norby)没有参与这项工作,他说,研究人员“开辟了一条新途径,为植入传感器和其他功能的微型电源开辟了一条新途径。” “所使用的陶瓷无毒、便宜,而且对体内条件和植入前的消毒条件都呈惰性。到目前为止,这个概念和示范确实很有希望。”JuZednc

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