本文報道了一種基于MXene的雙功能生物陽極，具有3D分層結(jié)構(gòu)，用于可穿戴自充電生物超級電容器。該設(shè)備在能量收集和儲存方面表現(xiàn)出色，開路電壓為0.5 V，最大功率密度為341 μW cm^-2，在2 mA cm^-2下最大瞬時功率密度達到510.2 μW cm^-2。此外，該設(shè)備對重復(fù)拉伸測量不敏感，且在體內(nèi)測試中表現(xiàn)出高瞬時功率密度。這些優(yōu)異的性能歸因于分層結(jié)構(gòu)MXene/CNT提供的穩(wěn)健催化微環(huán)境、生物陽極的大比表面積和豐富表面官能團以及良好的機械順應(yīng)性。本文的研究為生物能量收集平臺的電極和設(shè)備設(shè)計提供了創(chuàng)新的設(shè)計策略。
圖1. MXene/CNT/LOx生物陽極的詳細合成過程示意圖
通過將PDDA處理的單壁碳納米管（CNT-PDDA）與單層MXene納米片結(jié)合，形成三維分層結(jié)構(gòu)的MXene/CNT復(fù)合材料。隨后將乳酸氧化酶（LOx）和1,4-萘醌（1,4-NQ）插入MXene/CNT的層間，最終獲得MXene/CNT/LOx生物陽極。
圖2. a) MXene電極的TEM圖像和b) 橫截面SEM圖像；c) MXene/CNT復(fù)合電極的TEM圖像和d) 橫截面SEM圖像；e) MXene/CNT/LOx生物陽極的高倍SEM圖像和f) TEM圖像；g) MXene/CNT/LOx吸附FITC（綠色熒光標記）后的三維共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察，虛線圓圈標注不同層狀結(jié)構(gòu)；h) 經(jīng)EDC/NHS修飾的MXene/CNT電極的C 1s高分辨率X射線光電子能譜（XPS）；i) MXene/CNT/LOx生物陽極的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。
圖3. a) 可貼附皮膚的BSC裝置示意圖。能量在單個BFC單元中生成，并通過汗液中的乳酸實現(xiàn)電容儲能。四個單元通過液態(tài)金屬導(dǎo)體連接。b) BSC裝置在充電與放電模式下的工作機制示意圖。
圖4. BSC器件的電化學(xué)性能
a) 在含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中，不同時間（最長36小時）下的功率密度-電壓曲線及對應(yīng)的功率密度保持率（插圖）；
b) 含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中開路電壓（OCV）曲線；
c) 分別采用MXene/LOx和MXene/CNT/LOx作為生物陽極時的功率密度-電壓曲線對比；
d) 0.5 M PBS中不同電流密度下的恒電流充放電曲線及e) 對應(yīng)的面積電容；
f) 不同掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）曲線；
g) 0.5 M PBS中以100 mV s?¹掃描速率進行500次CV循環(huán)的穩(wěn)定性測試；
h) BSC裝置在0.5 M PBS（不含乳酸）中充電至0.5 V后的自放電曲線；
i) 含15 mM乳酸條件下的自充電曲線。
圖5. a) MXene/CNT的優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)；b) CNT、MXene及MXene/CNT的總電子態(tài)密度；c) MXene/CNT的優(yōu)化吸附模型；d) C3H6O3在CNT、MXene及MXene/CNT晶格上的吸附能對比。
圖6.
a) BSC裝置在不同電流密度下的脈沖放電曲線；
b) 0.5 mA cm?²電流密度下持續(xù)1小時（間隔60秒靜置）的脈沖放電-自充電曲線；
c) BSC裝置在松弛狀態(tài)與拉伸100%狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖；
d) 經(jīng)過100次拉伸循環(huán)后的脈沖放電-自充電曲線（測試條件：含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液）；
e) 志愿者騎行健身車時佩戴于手臂的BSC裝置示意圖及f) 在健身房中收集志愿者汗液后的輸出電壓實驗室監(jiān)測（插圖為首周期與末周期的脈沖輸出對比）。
柔性可穿戴電子設(shè)備依賴高效能源，但現(xiàn)有電源（如鋰離子電池）存在儲能有限、需頻繁充電等問題。微自供電平臺通過收集環(huán)境能源（如汗液中的乳酸）轉(zhuǎn)化為電能，其中乳酸酶促生物燃料電池（BFCs）雖具小型化與環(huán)保優(yōu)勢，但無法同步儲電且功率不足。BSCs融合BFCs與超級電容器功能，實現(xiàn)能量收集與儲存協(xié)同，成為間歇供電的理想方案。本研究通過創(chuàng)新電極結(jié)構(gòu)與器件設(shè)計，解決了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，推動可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測等領(lǐng)域的實用化發(fā)展。
生物超級電容器（BSCs）結(jié)合生物燃料電池與超級電容器優(yōu)勢，可從汗液中收集并儲存能量。針對傳統(tǒng)生物電極制備復(fù)雜、酶活性位點深嵌導(dǎo)致的能量收集效率低等問題，本研究設(shè)計了一種MXene/單壁碳納米管/乳酸氧化酶分層雙功能生物陽極，其3D催化微環(huán)境不僅優(yōu)化了酶活性，還通過雙電層電容實現(xiàn)高效儲電。基于“島橋”結(jié)構(gòu)的可穿戴設(shè)備包含復(fù)合生物陽極、活性炭/鉑陰極、聚丙烯酰胺水凝膠基板及液態(tài)金屬導(dǎo)體，在0.5 mA cm?²下實現(xiàn)0.48 V開路電壓與220.9 μW cm?²功率密度，且在拉伸/彎曲下仍保持穩(wěn)定貼合與輸出性能，為可穿戴自供電平臺提供新思路。
感謝國家自然科學(xué)基金、重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專項項目以及國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目的資助。DOI: 10.1002/adma.202305854
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
