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超薄燃料电池利用人体自身的糖分发电
2022年06月05日    阅读量:4298    新闻来源:行业资讯在线  |  投稿

葡萄糖是我们从食物中吸收的糖。正是这种燃料为我们体内的每一个细胞提供能量。葡萄糖还能为明天的医疗植入物提供动力吗?

麻省理工学院和慕尼黑理工大学的工程师们也这么认为。他们设计了一种新的葡萄糖燃料电池,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要小,厚度只有400纳米,约为人头发直径的1/100。这种含糖的电源每平方厘米产生约43微瓦的电能,在环境条件下达到迄今为止任何葡萄糖燃料电池的最高功率密度。

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设备所需的高温灭菌过程保持稳定。

新设备的核心由陶瓷制成,这种材料即使在高温和微型规模下也能保持其电化学性能。研究人员设想,新的设计可以制成超薄薄膜或涂层,并包裹在植入物周围,利用人体丰富的葡萄糖供应被动地为电子设备供电。

“葡萄糖在体内无处不在,我们的想法是收集这种现成的能量,并将其用于为植入式设备供电,”菲利普·西蒙斯说,他开发了这一设计,作为他在麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)博士论文的一部分。“在我们的工作中,我们展示了一种新的葡萄糖燃料电池电化学。”

Simons的论文导师、DMSE客座教授、德国慕尼黑理工大学固态电解质化学副教授Jennifer L.M.Rupp说:“不用电池,电池可以占据植入物90%的体积,你可以用薄膜制作一个设备,这样你就有了一个没有体积足迹的电源。”。

西蒙斯和他的同事在《高级材料》杂志上详细介绍了他们的设计。这项研究的合著者包括鲁普、史蒂文·申克、马可·吉塞尔和洛伦兹·奥尔布里希。

“硬”分离

这种新型燃料电池的灵感来自2016年,当时专门从事陶瓷和电化学设备的Rupp在怀孕末期进行了常规葡萄糖测试。

Rupp回忆道:“在医生的办公室里,我是一个非常无聊的电化学专家,在想你能用糖和电化学做些什么。”。“后来我意识到,有一个葡萄糖驱动的固态设备会很好。菲利普和我在喝咖啡时相遇,并在餐巾纸上写下了第一张图纸。”

该团队并不是第一个设想葡萄糖燃料电池的人,该电池最初于20世纪60年代推出,显示出将葡萄糖的化学能转换为电能的潜力。但当时的葡萄糖燃料电池是基于软聚合物的,很快就被碘化锂电池所取代,碘化锂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,由于电池的设计需要存储能量的物理容量,因此电池的体积有限。

Rupp说:“燃料电池直接转换能量,而不是将其储存在设备中,所以你不需要在电池中储存能量所需的所有体积。”。

近年来,科学家们再次将葡萄糖燃料电池视为一种潜在的小型能源,直接由体内丰富的葡萄糖提供燃料。

葡萄糖燃料电池的基本设计由三层组成: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,将糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转换释放出一对质子和一对电子。中间的电解液将质子与电子分离,使质子通过燃料电池,在那里它们与空气结合形成水分子鈥攁 无害的副产品随体液排出。同时,隔离的电子流到外部电路,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通常由聚合物制成的电解质层来改进现有材料和设计。但是聚合物的特性,以及它们传导质子的能力,在高温下容易降解,当缩小到纳米尺寸时很难保留,并且很难杀菌。研究人员想知道鈥攁 能自然传导质子的耐热材料鈥攃将被制成葡萄糖燃料电池的电解质。

Rupp指出:“当你想到用于这种葡萄糖燃料电池的陶瓷材料时,它们具有长期稳定性、小型可扩展性和硅芯片集成的优势。”。“它们又硬又结实。”

峰值功率,峰值功率

研究人员设计了一种葡萄糖燃料电池,其电解液由氧化铈制成,氧化铈是一种具有高离子电导率的陶瓷材料,具有机械稳定性,因此被广泛用作氢燃料电池的电解液。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氧化铈。”。“它也类似于用于牙齿植入的氧化锆,具有生物相容性和安全性。”

研究小组将电解质与铂制成的阳极和阴极夹在一起,铂是一种容易与葡萄糖反应的稳定材料。他们在一块芯片上制造了150个单独的葡萄糖燃料电池,每个电池约400纳米薄,300微米宽(约30根人类头发的宽度)。他们在硅片上绘制了电池的图案,表明这些器件可以与普通半导体材料配对。然后,在定制的测试站中,当葡萄糖溶液流过每个晶片时,他们测量每个细胞产生的电流。

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,该输出是任何现有葡萄糖燃料电池设计中的最高功率密度。

西蒙斯说:“令人兴奋的是,我们能够获得足以为植入式设备供电的功率和电流。”。

鲁普说:“这是电陶瓷材料中的质子传导首次可用于葡萄糖到能量的转换,定义了一种新型的电化学。”。“它将材料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。”

挪威奥斯陆大学化学教授Truls Norby表示,研究人员“为植入传感器和其他功能的微型电源开辟了一条新的途径”,他没有参与这项工作。“使用的陶瓷无毒、廉价,而且对体内条件和植入前的灭菌条件都具有惰性。到目前为止,这一概念和演示确实很有前景。”

这篇报道是由麻省理工学院新闻网(web.MIT.edu/newoffice/)转载的,该网站是一个很受欢迎的网站,涵盖了有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。

标签:技术中心机器人工程机械配件与装备系统及软件
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