Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

复合生物能源收集器:可同时收集生物机械能与生物化学能

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研究背景

随着便携式可植入电子的快速发展,相应的各种新型供能技术也不断涌现。除自然界中的风能、太阳能、海洋能等能源,动物体内也含有多种生物机械能与生物化学能可被收集存储用于实现微型器件的特定功能,目前生物机械能与化学能的同时收集仍是本领域的技术难点。本研究将摩擦电技术葡萄糖燃料电池发电技术相结合解决了复合器件同时收集两种生物能的技术难题,为生物体内微型电子器件的供能提供了可行的解决方案。

A Hybrid Biofueland Triboelectric Nanogenerator for Bioenergy Harvesting
Hu Li, Xiao Zhang, Luming Zhao, Dongjie Jiang, Lingling Xu, Zhuo Liu, Yuxiang Wu, KuanHu, Ming‑Rong Zhang, Jiangxue Wang *, Yubo Fan*, Zhou Li*
Nano-Micro Lett.(2020)12:50
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0376-8

本文亮点

1 实验设计了摩擦纳米发电机和葡萄糖燃料电池,分别收集身体动能葡萄糖分子化学能
2 摩擦纳米发电机与葡萄糖燃料电池共同构建的复合能源收集系统可同时收集生物机械能与生物化学能。

内容简介




北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队与北京航空航天大学樊瑜波教授、王江雪副教授团队通过将摩擦电技术与生物燃料技术相结合,开发了一种能同时收集生物机械能与生物化学能的复合能源收集器,该复合能源收集器包含摩擦纳米发电机(TENG)与葡萄糖燃料电池(GFC)两个能量收集单元。经过PDMS与PTFE封装,摩擦纳米发电机单元可在PBS模拟体液环境中将手指按压能量转化为电能。向PBS溶液中加入葡萄糖后,葡萄糖燃料电池可促使葡萄糖发生氧化还原反应,将化学能转化为电能。实验将摩擦纳米发电机与葡萄糖燃料电池一体化集成后,两个单元的输出电压和电流实现了叠加,复合器件实现了对生物机械能与化学能的同时收集。
摩擦电技术可将各种机械能有效转化为电能,并用于健康监护,细胞/神经电刺激,甚至可为商用心脏起搏器供能。这些成就为科研人员及医生对相关疾病的诊断及治疗提供了新的认知及治疗方案。将摩擦纳米发电机植入到生物体内后,它可将生物体呼吸、心跳、血流等生物机械能转化为电能,但是这些器件周围体液中包含的生物化学能却浪费掉了,假如这些生物化学能能够被同时收集,那么生物机械能转化的电能将得到提升,提升后的电能可为低功耗的植入式器件供能,例如植入式无线葡萄糖传感器、动脉阻塞压力传感器及术后体温传感等。考虑到组织液及血液中蕴藏大量的葡萄糖,可将葡萄糖分子中蕴含的化学能通过葡萄糖燃料电池通过氧化还原反应转化为电能。
本文提出了一种利用摩擦电技术与生物燃料电池技术相结合的复合能源收集策略,将摩擦纳米发电机与葡萄糖燃料电池集成为一体,通过巧妙的电路设计及器件结构设计,该一体化的复合器件实现了在模拟体液中对生物机械能与生物化学能的同时收集。将两个能量单元并联,二者的输出电流实现了叠加。和任一单一器件相比,复合能源收集器对商用电容器的充电速率更快,同样时间内充电电压更高,能源收集效率也更高,将收集的能量储存后可为计算器及发光二极管供能。该研究为多种能量的同时收集提供了可行方案,将来有望作为微纳器件的电源驱动其实现特定功能。

图文导读




I 复合能源器件对生物机械能与化学能同时收集的概念图

将一体化集成后的复合能源器件植入到皮下组织,对皮肤进行手指按压,摩擦纳米发电机单元可将机械能转化为电能,同时葡萄燃料电池可将组织液中葡萄糖分子中蕴含的生物化学能通过氧化还原反应转化为电能。通过该复合能源器件可以实现对人体内生物机械能与生物化学能的同时收集。


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图1 (a)将复合能源收集器件(HEHS)植入到体内后,同时收集生物机械能与生物化学能的概念图;(b)手指按压下TENG将生物机械能转化为电能;(c)体液中GFC将葡萄糖分子中的化学能转化为电能。

II TENG收集生物机械能

该TENG具有垂直接触分离工作模式,Kapton膜与铝膜作为摩擦层,PTFE与PDMS作为封装层,铜膜作为背电极,钛箔作为支撑龙骨。将TENG放在PBS模拟体液中,在外界周期性机械刺激下,TENG可将机械能转化为电能,TENG开路电压与短路电流分别为22 V和0.24 μA。外界负载70 MΩ时最大输出功率为3.3 mW/cm2


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图2 (a)TENG组成材料及结构示意图;(b)摩擦层表面微结构;(c)TENG整流前后输出电压;(d)TENG整流前后输出电流;(e)TENG功率随外接负载的变化;(f)TENG整流前后转移电荷量。

III GFC制备流程图及表面微结构

生物相容性良好具有多孔结构的细菌纤维素(BC)膜作为支撑结构,用于负载碳纳米管和氧化还原催化剂颗粒。两面均抽滤有碳纳米管的BC膜作为GFC阴极,一面抽滤碳纳米管且负载Pt-Pd颗粒的BC膜作为GFC的阳极。抽滤碳纳米管前BC膜为多孔丝状结构,抽滤碳纳米管后BC膜多孔结构被填充。


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3 (a)GFC制备流程示意图;(b,e)纯BC膜表面低倍及高倍微观结构;(c,f)抽滤碳纳米管后BC膜表面低倍及高倍微观结构;(d,g)负载Pt-Pd催化剂后BC膜表面低倍及高倍微观结构。

IV GFC收集生物化学能

PET膜作为中间支撑,Au电极作为集流体,将阴极及阳极通过PVA3D打印夹具固定在Au电极表面组成葡萄糖燃料电池。将GFC放入到含有葡萄糖的PBS溶液中,GFC最大输出电压约为0.6 V,最大输出电流约为10.5 μA。通过对GFC面积及催化剂负载次数的研究,最优GFC面积为2×2 cm2,最优催化剂负载次数为3次。


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4 (a)GFC结构示意图;(b)GFC工作原理图;(c-d)GFC输出电压与电流随面积的变化规律;(e-f)GFC输出电压与电流随催化剂负载次数变化的规律。

V 复合能源收集器件(HEHS)对生物机械能与生物化学能同时收集

将TENG与GFC通过单向二极管并联集成在PET基底上,其中单向二极管连接在GFC一侧。HEHS在含有葡萄糖的PBS模拟体液环境中实现了对生物机械能与化学能的同时收集。TENG与GFC输出电流及电压成功叠加在一起。和TENG及GFC单一工作单元相比,复合的HEHS能源收集效率更高,对商用电容器充电速率更快,收集的电能可为计算器及发光二级管供电。


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5 (a-b)HEHS结构示意图及其等效电路图;(c)HEHS为计算器供电;(d)HEHS为发光二管供电;(e-f)TENG、GFC及HEHS整流后的输出电流及电压;(g)TENG、GFC及HEHS未整流时的输出电流;(h)TENG、GFC及HEHS为同一电容器充电时的电压变化曲线;(i)HEHS点亮计算器时的充放电变化曲线;(j)HEHS点亮发光二级管时的充放电曲线。


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