一个吸气式生物电池

2019-01-15 09:55:02
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华沙波兰科学院物理化学研究所的研究人员建造了一种吸气式生物电池。提供具有相对高电压和长寿命的新电源的核心元件是精心设计的阴极,其吸收来自空气的氧并由酶,碳纳米管和硅酸盐组成。

人们越来越多地利用支持我们身体各种功能的设备。今天它们包括心脏起搏器或助听器; 明天它将是具有自动改变焦距的隐形眼镜或直接在眼睛中产生图像的计算机控制的显示器。如果没有耦合到高效且持久的电源,这些设备都不会起作用。最好的解决方案似乎是小型化的生物燃料细胞消耗天然存在于人体或其直接周围的物质。

华沙波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS)的研究人员开发出一种高效电极,用于生物燃料电池或锌氧生物电池的构建。在安装在电池中之后,新生物阴极在数小时内产生的电压高于在类似设计的现有电源中获得的电压。最有趣的是该设备具有吸气功能:当它可以直接从空气中吸收氧气时,它可以高效工作。

普通电池和可充电电池不适合为人体内的植入物供电,因为它们使用强碱或酸。这些特工无法进入体内。因此,电池外壳必须绝对紧密。但是,与减小电池尺寸一致,必须更好地隔离。在极端情况下,普通微型电池的外壳重量甚至比发电的电池有源元件的重量大几十倍。在这里,生物燃料电池提供了一个重要的优势:它们不需要住房。为了获得电力,将电极插入体内就足够了。

“电化学中最受欢迎的实验之一是通过将适当选择的电极粘在马铃薯上来制造电池。我们正在做类似的事情,区别在于我们专注于生物燃料电池和阴极的改进。当然为了让整个项目有效,我们宁愿用一个人替换马铃薯,“MartinJönsson-Niedziółka博士(IPC PAS)说。

在实验中,Jönsson-Niedziółka博士的研究小组使用锌 - 氧电池。他们的运作原则并不新鲜。以这种方式构造的电池在碱性电源出现之前就已经很流行。“目前,许多实验室都在研究葡萄糖 - 氧气生物燃料电池。在最好的情况下,它们会产生0.6-0.7伏的电压。我们阴极的锌 - 氧生物电池可以产生1.75 V的电压,”Adrianna说。 Złoczewska,IPC PAS的博士生,其研究得到了波兰科学基金会国际博士项目计划的支持。

IPC PAS开发的生物阴极的主要成分是被碳纳米管包围的酶,并封装在多孔结构中 - 沉积在透氧膜上的硅酸盐基质。“我们小组多年来一直致力于使用酶,碳纳米管和硅酸盐基质构建阴极所需的技术,”MarcinOpałło教授(IPC PAS)强调说。

如此构造的电极安装在小容器的壁中。为了使生物燃料电池工作,只需倒入电解质(这里:含有氢离子的溶液)并将锌电极插入电解质中即可。硅酸盐基质中的孔使得能够从空气供应氧气,并且将H +离子从溶液供应到酶的活性中心,在那里发生氧气还原。碳纳米管促进电子从半透膜表面的传输。

具有新生物阴极的电池能够以1.6V的电压供电,至少一周半。细胞效率随时间降低,可能是因为生物阴极上的酶逐渐失活。“这里不是所有东西都依赖于我们,而是取决于生物技术的进步。如果酶再生过程得到成功开发,生物燃料电池的生命周期可以显着延长,”Jönsson-Niedziółka博士说。

在迄今为止进行的实验中,串联连接的四个电池的堆叠成功地为由两个LED组成的灯供电。然而,在此之前,基于IPC PAS开发的设计的生物燃料电池得到普及,研究人员必须解决所有类型的生物燃料电池常见的相对较低的电力问题。

这里提出的研究不仅对于医疗植入物,生物传感器或发光纹身的电源的小型化非常重要。负责生物燃料电池中的发电的过程可能适合用于更大规模的发电。这里的限制因素是酶的性质,因此该领域的进一步发展基本上取决于生物技术的发展。

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