用爱发电不行,用体内葡萄糖发电可以!功率密度超高超薄葡萄糖燃料电池!

【字体: 时间:2022年05月14日 来源:MIT麻省理工

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  麻省理工的科学家们开发了一种仅400纳米厚(发丝的1/100厚)的超薄葡萄糖燃料电池,每平方厘米能产生43微瓦电能,是目前环境条件下葡萄糖燃料电池中功率密度最高的。可耐受600摄氏度高温灭菌,可以覆膜形式几乎不占体积地为微型植入物和传感器提供驱动能量。

  

葡萄糖是我们从吃的食物中吸收的糖。它是我们身体里每个细胞的能量来源。葡萄糖还能为未来的医疗植入物提供能量吗?

麻省理工学院和慕尼黑技术大学的工程师们认为可以。他们设计了一种新型的葡萄糖燃料电池,可以将葡萄糖直接转化为电能。该装置比其他提出的葡萄糖燃料电池更小,只有400纳米厚,大约是人类头发直径的1/100,每平方厘米能产生43微瓦的电能,是目前在环境条件下葡萄糖燃料电池中功率密度最高的。这种新设备也很有弹性,能够承受高达600摄氏度的温度。如果与医用植入物结合,燃料电池可以通过所有植入装置所需的高温灭菌过程并保持稳定。

新装置的核心是由陶瓷制成的,这种材料即使在高温和微缩尺寸下也能保持其电化学特性。研究人员设想,这种新设计可以制成超薄薄膜或涂层,包裹在植入物周围,利用人体丰富的葡萄糖供应为电子设备供电。

“葡萄糖在体内无处不在,我们的想法是收集这些现成的能量,并用它为可植入设备供电,”Philipp Simons说,他在麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)开发了这一设计,作为他的博士论文的一部分。“我们展示了一种新的葡萄糖燃料电池的电化学。”

“常规电池可能要占据植入设备90%的体积,作为替代,你可以这种新电源制作一个带有薄膜的设备,电源几乎不占什么体积。”Simons的论文导师、DMSE客座教授、德国慕尼黑工业大学固态电解质化学副教授Jennifer L.M. Rupp说。

Simons和他的同事今天在《Advanced Materials》杂志上详细介绍了他们的设计。这项研究的共同作者包括Rupp、Steven Schenk、Marco Gysel和Lorenz Olbrich。

灵感来源

这种新型燃料电池的灵感来自于2016年,当时专攻陶瓷和电化学设备的Rupp在怀孕快结束时去做了一次常规葡萄糖测试。

“在医生的办公室里,我是一个非常无聊的电化学专家,想着糖和电化学能做些什么,”Rupp回忆说。“然后我意识到,有一个葡萄糖驱动的固态设备会很好。Philipp和我在喝咖啡时相遇,在一张餐巾纸上写下了最初的画。”

这个团队并不是第一个设想葡萄糖燃料电池的人,葡萄糖燃料电池最初是在20世纪60年代推出的,显示出将葡萄糖的化学能转化为电能的潜力。但当时的葡萄糖燃料电池是基于软聚合物,很快就被锂碘电池所取代,而锂碘电池将成为医疗植入物的标准电源,尤其是心脏起搏器。然而,电池的尺寸有限,因为它们的设计需要存储能量的物理容量。

Rupp说:“燃料电池直接转换能量,而不是将其存储在设备中,所以你不需要在电池中存储能量所需的所有体积。”

近年来,科学家们重新审视了葡萄糖燃料电池,认为它可能是一种更小的能源,可以直接由人体丰富的葡萄糖提供能量。

葡萄糖燃料电池的基本设计包括三层:顶部阳极、中间电解质和底部阴极。阳极与体液中的葡萄糖发生反应,将葡萄糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转换会释放一对质子和一对电子。中间的电解质将质子与电子分开,引导质子通过燃料电池,在那里它们与空气结合形成水分子——一种无害的副产物,随体液流走。与此同时,被隔离的电子流向外部电路,在那里它们可以用来为电子设备供电。

该团队希望通过修改电解液层来改进现有的材料和设计,电解液层通常由聚合物制成。但是聚合物的特性,以及它们引导质子的能力,在高温下很容易降解,当缩小到纳米尺寸时很难保持,而且很难消毒。研究人员想知道一种陶瓷——一种可以自然地引导质子的耐热材料——能否被制成葡萄糖燃料电池的电解质。Rupp指出:“当你想到用陶瓷制造这样的葡萄糖燃料电池时,它们具有长期稳定、可扩展性小和集成硅芯片的优势。”“它们坚硬而坚固。”

峰值功率

研究人员设计了一种葡萄糖燃料电池,其电解质由二氧化铈制成,二氧化铈是一种陶瓷材料,具有高的离子导电性,机械性能良好,因此被广泛用作氢燃料电池的电解质。它也被证明具有生物相容性。

西蒙斯指出:“癌症研究界正在积极研究二氧化铈。”“它也类似于用于牙齿种植的氧化锆,具有生物相容性和安全性。”

研究小组将电解液与由铂制成的阳极和阴极夹在一起,铂是一种很容易与葡萄糖反应的稳定材料。他们在一个芯片上制造了150个单独的葡萄糖燃料电池,每个大约400纳米薄,300微米宽(大约30根人类头发的宽度)。他们在硅晶片上绘制了这些电池的图案,表明这些器件可以与一种普通的半导体材料配对。然后,他们在一个定制的测试台上,测量了当葡萄糖溶液流经每个晶圆时,每个电池产生的电流。

他们发现许多电池产生的峰值电压约为80毫伏。考虑到每个电池的微小尺寸,这是现有葡萄糖燃料电池设计中最高的功率密度。

“令人兴奋的是,我们能够获得足够的能量和电流来驱动可植入设备,”Simons说。

Rupp说:“这是第一次将电陶瓷材料中的质子传导用于葡萄糖功率转换,定义了一种新型的电化学。”“它将材料的使用案例从氢燃料电池扩展到新的、令人兴奋的葡萄糖转换模式。”

挪威奥斯陆大学的化学教授Truls Norby说,研究人员“开辟了一条用于植入传感器或其他功能的微型电源的新途径”,他没有参与这项工作。“所用的陶瓷无毒、廉价,而且对体内条件和植入前的灭菌条件都是惰性的。到目前为止,概念和演示确实很有前途。”

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