【引言】
基于纖維織物的柔性可穿戴電子器件可以對(duì)人體進(jìn)行實(shí)時(shí)健康檢測(cè)。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(qū)域內(nèi)，還需要在劇烈的機(jī)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(fù)、自我維持、環(huán)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(jī)物，將其中豐富的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為源源不斷的電能，還具有相當(dāng)高的生物兼容性和電化學(xué)穩(wěn)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(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢頓分校的Seokheun Choi助理教授（通訊作者）課題組設(shè)計(jì)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(jīng)制模、絲網(wǎng)印刷、噴碳等工藝步驟分別在纖維織物的正、反面對(duì)柔性正、負(fù)極進(jìn)行加工，并對(duì)纖維織物表面不同區(qū)域采用親水化或疏水化處理的方法來定義正極區(qū)和負(fù)極區(qū)。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(fù)極室，并加入3-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（3G）以增強(qiáng)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(jīng)還原得到Ag2O/Ag復(fù)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(nèi)阻約為10 kΩ，當(dāng)外電路負(fù)載10 kΩ的電阻時(shí)能達(dá)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(xué)性能接近于目前的柔性紙基微生物燃料電池水平，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以柔性織物為基底的微生物燃料電池。在反復(fù)拉伸、扭轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試條件下，盡管纖維織物表面的導(dǎo)電碳層發(fā)生部分?jǐn)嗔巡⒁痣姵貎?nèi)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(jī)械變形條件下仍有較穩(wěn)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(fā)表在Adv. Energy Mater.上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)
(a) 在19×19 cm2的單層纖維織物上一次同時(shí)制造由5×7個(gè)微生物燃料電池陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
(b) 微生物燃料電池的正、負(fù)極結(jié)構(gòu)及其工作原理。
(c) 正、負(fù)極及其組裝在同一張纖維織物上的示意圖。
(d) 拉伸和扭轉(zhuǎn)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(wǎng)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(dǎo)電碳層并移除模板。
(4) 在負(fù)極上噴涂疏水蠟層以定義負(fù)極室邊界，并在負(fù)極室內(nèi)部加入3G漿料以增強(qiáng)其親水性。
(5) 最后通過激光切割得到由一定數(shù)量的微生物燃料電池組成的陣列。
圖3. 正、負(fù)極形貌表征
(a) 用3G/EG/ PEDOT:PSS漿料處理過的負(fù)極SEM圖像。
(b) 用PEDOT:PSS/Ag2O漿料處理過的負(fù)極SEM圖像。
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