具有良好生物相容性的生物燃料電池有望用作柔性和可穿戴生物電子學的電源。最近，同濟大學團隊報告了一種高度靈活和可拉伸的生物燃料電池，它由石墨烯/碳奈米管 (G/CNT) 複合材料和聚合物水凝膠電解質的紡織電極實現。從石墨烯層共價生長的碳奈米管陣列不僅可以作為固定酶分子的導電基底，還可以在酶和石墨烯電極之間提供有效的電荷傳輸通道。因此，開發的生物燃料電池可提供 0.65 V 的高開路電壓和 64.2 μW cm-2 的輸出功率密度，遠高於先前報道的結果。得益於電極的獨特紡織結構和聚合物水凝膠電解質，生物燃料電池在400次彎曲迴圈後仍能保持較高的功率密度，甚至可拉伸至 60% 的高應變。
圖 1. (a) G/CNTs/酶複合紡織生物電極示意圖。(b,c) 柔性和可拉伸生物燃料電池的示意圖。
圖 2. (a) 用石墨烯生長的 Ni 織物的 SEM 影象。(b) 從石墨烯生長的對齊的 CNT 陣列的 SEM 影象。(c,d) 去除 Ni 基材後 G/CNTs 複合織物的 SEM 影象。(e,f) 不同放大倍數下 G/CNTs/GOx 的 SEM 影象。(g,h) 不同放大倍數下 G/CNTs/BOD 的 SEM 影象。
圖 3. 生物電極的電化學效能。
圖 4. (a) BFC 的功率分佈和極化曲線。(b) 我們的酶促 BFC 的功率輸出密度和開路電壓與其他先前報道的結果的比較。(c) 並聯和串聯的兩個生物燃料電池的功率分佈。(d) BFC 可再生效能四倍。(e) BFC 可再生過程示意圖。
圖 5. BFC 的機械柔韌性和拉伸性。(a) BFC 在不同彎曲角度下的功率分佈。(b) BFC 在不同彎曲角度下的數碼照片。（ c ）用於彎曲釋放 400 次迴圈的 BFC 的功率分佈。(d) BFC 在不同拉伸應變下的功率分佈。(e) BFC 在不同拉伸應變下的數碼照片。
總之，團隊展示了一種由 G/CNT 複合紡織品基電極和聚合物水凝膠電解質實現的柔性和可拉伸生物燃料電池。從石墨烯層生長的定向碳奈米管陣列不僅可以為電荷傳輸和轉移提供有效的通道，而且可以用作固定酶的載體。透過使用含有葡萄糖的聚合物水凝膠電解質，基於 G/CNTs 紡織品電極開發的生物燃料電池表現出 0.65 V 的高開路電壓和 64.2 μW cm-2 的最大面積功率密度。BFC 在 0° 到 180°的彎曲角度下也表現出出色的柔韌性和數百次彎曲迴圈的迴圈穩定性。此外，新展示的生物燃料電池在高達 60% 的拉伸應變下可以保持其原始功率密度的 93.5%。因此，具有高電化學效能的高度柔性和可拉伸的 BFCs 在未來用作可植入生物電子學的能量系統非常有希望。
相關論文以題為Flexible and Stretchable Enzymatic Biofuel Cell with High Performance Enabled by Textile Electrodes and Polymer Hydrogel Electrolyte發表在《Nano Letters》上。通訊作者是同濟大學陳濤教授。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03621
