汗液发电—-绿色可穿戴的柔性光催化燃料电池

近年来,各种各样的可穿戴设备快速兴起和发展,使其在智能服装,智能设备,运动追踪器以及医疗设备中得以应用。其中,大部分的研究都集中在柔性电池,柔性超级电容器,柔性光伏设备等。同时,有些文章报道通过设计一些特殊的可穿戴的储能和发电装置,部分人体特殊的生理特征,包括恒定的体温,人体移动的机械能以及人体本身所富余的静电等,也都可以被利用,转化和储存为电能。而作为另一种生理特征,汗液及其他人体代谢的废弃物富含各种小分子有机物,其蕴含的丰富的化学能也是可以被利用转化为电能的。然而,基于此种人体生理特征而设计的柔性可穿戴设备却鲜有报道。

Untitled加拿大滑铁卢大学陈忠伟课题组就设计一种可以利用和转化汗液中化学能的可穿戴装置——柔性光催化燃料电池。这种装置的核心是光电化学电池。它由涂覆有光电催化剂的ITO/PET膜(光电阴极),汗液或生物有机废液浸润的纤维素膜(固体电解质)和氧还原气体扩散电极(阳极)组成。光电阴极被相应的波长的光激发可以产生强氧化性的羟基自由基,从而可以非选择性的氧化各种生物有机废物并夺取其电子以产生光电流。正是因为光电极的引入,使得柔性光催化燃料电池相对于类似的可穿戴酶生物燃料电池有更多优势。第一,光催化燃料电池可以从各种有机物中获取电子而酶生物燃料电池只能夺取单一的有机底物中的电子。因此,光催化燃料电池更加适用于从复杂的有机体系中获取电能,例如人体汗液。第二,光催化剂具有化学惰性和自我再生性,它不会像酶催化剂受温度,pH值等环境因素影响而变性失活。第三,相比于昂贵的酶制剂,光催化剂更加便宜易得。在光激发之下,此种柔性光催化燃料电池可以在平铺和弯曲的状态下进行发电。当人工模拟汗液作为电解质添加到类似吸汗带的可穿戴的柔性光催化燃料电池中时,在光照下电池可以获得的最大功率密度为4.0 mW cm-2 g-1. 这项研究不仅提出了可穿戴柔性光催化燃料电池的概念,而且成功将之用于基于汗液的发电装置,使之克服同类的酶生物燃料电池的缺陷,达到相当或更高的功率密度。相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600191)上。

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