《Adv. Mat.》：可穿戴+自充电，生物超级电容器！一e测试

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《Adv. Mat.》：可穿戴+自充电，生物超级电容器！

2023-09-12 09:12:18 0 291

一、研究背景

柔性可穿戴电子产品为健康监测和人机交互开辟了新途径，以收集佩戴者生命体征的实时反馈。柔性电源作为可穿戴电子产品中最重要的部件之一，吸引了锂离子电池(Li-ion)和超级电容器(SCs)等广泛的研究兴趣。然而，其储能功能有限，需要频繁充电和及时更换电池。微型自供电平台，通过收集来自周围环境的能量，包括热能、机械能（如压力和摩擦）、太阳能和生物质能，并将其转化为电能，被认为是一种有效和可持续的替代品。

生物超级电容器（BSCs）集成了生物燃料电池（BFCs）和超级电容器(SCs)的双重功能，实现了从人体汗液中收集和存储能量，是间歇发电的有效解决方案。因此，BSCs被认为是可穿戴电子产品的可靠能源供应平台。然而，在生物电极中，制备过程的庞大和酶活性位点的深度嵌入通常限制了能量收集过程，阻碍了实际电源场景，尤其在复杂的体内运动过程中。

二、研究成果

近日，重庆大学廖强教授和杨阳教授合作报道了通过静电自组装，在相邻MXene纳米片之间引入1D单壁碳纳米管（CNT），形成3D分级结构，并进一步插入乳酸氧化酶（LOx）/1,4-萘醌（1，4-NQ），构建了BSC生物阳极。不仅为酶调节提供优越的3D催化微环境，以从汗液中获取能量，还可通过双电层电容器提供足够的电容，以存储能量。采用复合生物阳极、活性炭/Pt阴极、聚丙烯酰胺水凝胶基体和液态金属导体，将可穿戴生物超级电容器制成“岛桥”结构。在体内测试中，器件的开路电压为0.48 V和在0.5 mA·cm^-2下高功率密度为220.9 μW·cm^-2。在拉伸/弯曲下，可穿戴BSC阵列成功实现了器件与人体皮肤之间的紧密共形粘附。重复拉伸之后，脉冲输出没有明显的功率衰减。独特的生物电极结构和吸引人的能量收集/储存特性，证明了这种生物超级电容器具有作为可穿戴电子产品的微型自供电平台的潜力。

相关研究工作以“Dual Functional MXene-Based Bioanode for Wearable Self-Charging Biosupercapacitor”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。祝贺！

三、研究内容

首先，通过刻蚀Ti₃AlC₂并加入四甲基氢氧化铵（TMAOH）作为插层剂，制备了单层MXene。将带正电的单壁CNT分散在阳离子聚合物聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）溶液上，改性CNT的 Zeta 电位测量为+58.5 mV。带负电荷的单层MXene纳米片（-44.4 mV）在静电力作用下结合在一起，形成具有3D分级结构的MXene/CNT复合材料。然后，将MXene/CNT复合材料滴加到多孔巴基纸上，并加入EDC/NHS，利用丰富的-COOH修饰MXene/CNT表面，以增加电极的亲水性。最后，将LOx插入MXene/CNT夹层中，以1,4-萘醌（1,4-NQ）为电子介质，形成MXene/CNT/LOx生物阳极。

图1. MXene/CNT/LOx的合成示意图

图2. 制备电极的形态、结构和组成

图3. BSC器件的示意图及工作机制

图4. BSC器件的电化学性能

图5a. MXene/CNT的优化晶体结构和优化吸附模型

图6. BSC器件的脉冲放电性能

四、结论与展望

这项研究报道了具有3D分级结构的MXene基双功能生物阳极。将自充电混合BSC器件制成“岛桥”结构，由生物阳极、ACPt阴极、水凝胶衬底和液态金属导体组成。作为能量收集器，在15 mM乳酸盐中，表现出0.5 V的开路电压和341 μW·cm⁻²的极高功率密度。作为能量存储器，在放电到0 V之后可以自充电到开路状态。尤其，在2 mA·cm^-2体外条件下，最大瞬时功率密度为510.2 μW·cm⁻²，并对重复拉伸测量表现出不敏感。在身体测试中，器件在0.5 mA·cm^-2时，表现出220.9 μW·cm⁻²的高瞬时功率密度。

研究者将器件卓越的能量收集和储存性能归因于以下几个方面：1）由分级结构MXene/CNT提供了强大的催化微环境；2）生物阳极的高比表面积和丰富的表面官能团提供了高电容性能；3）对柔性环境的机械顺应性和不敏感性。通过体外和体内能量采集和储存性能，证明了用于可拉伸和可穿戴BSC设备的双功能MXene/CNT/LOx生物阳极的创新设计，以及用于生物能量收集平台的电极和设备的通用设计策略。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305854

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