重庆大学廖强教授团队AM：基于先进材料和柔性设计的可穿戴酶生物超级电容器

微电子技术的快速发展为可穿戴柔性电源的研究开辟了新前景。可穿戴的锂离子电池和超级电容器是微型传感器最常用的电源。然而，由于其储能特性的限制，需要频繁的充电和及时更换电池。

微型自供电装置通过收集周围环境的能量（包括热能、机械能、太阳能和生物质能）转化为电能，被认为是一种有效的、可持续的替代电源装置。可穿戴酶生物超级电容器（Biosupercapacitor, BSCs）集成了酶燃料电池和超级电容器的双重功能，可以实现对汗液能量的收集和储存。传统的BSCs生物电极由酶、酶纳米载体和具有电容特性的活性材料组成，其电极的制备过程相对复杂；更重要的是，额外引入的电容材料会覆盖酶的活性位点，同时增加装置的重量，并牺牲其能量收集性能。

最近，重庆大学能源与动力工程学院廖强教授团队设计了用于可穿戴BSC的双功能MXene基生物阳极，并设计了具有“岛-桥”结构的BSC装置。该电池在柔性环境下展示了优异且稳定的能量收集和储存性能。

酶生物超级电容器的生物阳极设计

团队从多相生物转化过程强化角度出发，基于其提出的生物生长和转化分时分区调控和多场协同调控的思想，最大限度提升酶的负载面积和电化学反应区域面积，同时强化底物、代谢产物的快速吸脱附。具体来说，团队采用静电自组装法设计了具有三维分级结构的MXene/CNT/LOx（乳酸氧化酶）生物电极作为BSC的阳极，引入CNT避免了相邻MXene片层的团聚，使传统的MXene二维结构拓展为三维空间结构；LOx上丰富的-NH2通过酰胺反应牢牢的铆钉在MXene/CNT的-COOH基团上，大幅度提升了酶的负载量；电子可以在水平方向沿着MXene传导，也可以在垂直方向利用CNT进行传导；底物-产物则可以在拓展的微孔-介孔中以扩散的方式传递。

生物阳极的制备流程

基于第一性原理计算的结果发现MXene/CNT可以显著降低底物（即：C3H6O3）的吸附能，因此本团队提出的阳极设计策略成功实现了生物催化所需的微观传递最佳微环境。

基于密度泛函理论计算的态密度和底物吸附能

酶生物超级电容器的器件设计和工作原理

在器件层面，阴极催化剂采用铂/活性炭，液态金属作为导线，在聚丙烯酰胺（PAAM）水凝胶基底上构建了具有“岛-桥”结构的BSC装置，以满足可穿戴需求的柔性工作环境。BSC装置的工作原理为：在开路状态下（充电模式），能量产生和电容储能的过程同时发生，生物阳极将汗液中的乳酸氧化为丙酮酸，阴极将空气中的氧气还原为水，BSC装置由电位梯度引起静电充电，从而驱动装置的电压被充至接近平衡电位值（开路电压）。在放电模式下，生物阳极的电子通过外电路转移至阴极，能量被释放出来。

BSC的装置示意图和工作机理

酶生物超级电容器的电化学性能

团队评估了BSC装置的电化学性能：单个装置可以从0 V自充电至0.48 V，在0.5 mA cm-2的脉冲放电模式下，单个装置的功率密度为220.9 μW cm−2，并且在反复拉伸下性能几乎无衰减。与所报道的文献相比，其电化学性能展现出了巨大优势。团队成员表示这种成功的材料和器件设计策略可以促进可穿戴自供电BSC设备在身体上的发展，助力于用于健康监测和人机交互的自供电可穿戴电子产品。

BSC装置的电化学性能表征

参考文献：

Guan, S.; Yang Y*.; Wang Y.; Zhu X.; Ye D.; Chen R.; Dai H., Liao Q*., Dual Functional MXene-Based Bioanode for Wearable Self-Charging Biosupercapacitor. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202305854.

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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