Issue Date: August 1, 2016

以葡萄糖为燃料的电源为医用植入体提供高能脉冲

新复合装置结合了生物燃料电池和超级电容的优点
Department: Science & Technology
Keywords: 能量储存, 葡萄糖, 燃料电池, 生物燃料电池, 植入体, 超级电容
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十美分大小的复合装置将超级电容集成到一个葡萄糖生物燃料电池(上图)中,能够为医用植入体提供高能量和高功率。
Credit: Shelley Minteer
复合生物燃料电池和超级电容放在二十五美分硬币旁边作比较。
 
十美分大小的复合装置将超级电容集成到一个葡萄糖生物燃料电池(上图)中,能够为医用植入体提供高能量和高功率。
Credit: Shelley Minteer

由于葡萄糖具有高能量,并且在人体中也大量存在,科学家们一直在尝试将其用在燃料电池中,为医用植入体供电。到目前为止研制出的葡萄糖燃料电池能够储存很多能量,但无法将能量转化成心脏起搏器和脑起搏器这类植入体所需要的快速脉冲。现在,研究者们研制出了一种小巧的装置。通过把生物燃料电池同一个超级电容结合起来,这个装置能够产生上述所需的脉冲 (ACS Energy Lett. 2016, DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00225).

燃料电池能够将化学燃料中的能量转化成电能。普通电池中储存的化学物质耗尽后就必须更换。而燃料电池则不同,只要燃料能够得到补充,其就能一直工作。相对于现在用来驱动植入设备的锂离子电池,依靠血液中的葡萄糖进行工作的燃料电池可能成为一种理想的替代品。而且葡萄糖燃料电池可以储存的能量是锂电池的 10 倍左右。科学家们已经证实,生物燃料电池植入昆虫、龙虾和老鼠体内后能够正常工作。

但燃料电池的功率密度较低,也就是说无法产生快速的高能脉冲。普通电池也有这种限制,因此对于现有的医用植入体,制造商们往往将电池连接到大功率超级电容上,一种能够提供快速电力脉冲的设备。“电池为电容充电,然后电容在短时间内产生所需的高能脉冲,”犹他大学的 Shelley D. Minteer 说。

Minteer 和她的同事们对生物燃料电池采用了相同的方法。为了节省空间,他们将超级电容集成到了生物燃料电池中,而不是将两个独立的设备连接在一起。葡萄糖燃料电池通常带有碳电极,电极上包裹了酶,能够催化氧化还原反应产生电流。在阳极中,研究者们把一种称为葡萄糖脱氢酶的氧化酶加入一种由氧化还原聚合物聚乙烯亚胺制成的涂层中,使其能够储存电荷,起到超级电容的作用。

随着葡萄糖的氧化,电子通过一个外部电路迁移到包裹了胆红素氧化酶这种还原酶的阴极上,从而产生电流。在产生的电子中,有一部分会为电容性聚合物层充电,Minteer 解释说。在需要大量电力的时候,超级电容会放电来提供所需的高能脉冲。研究者们将该装置包在一张网中,以便血液能够流过电极,提供稳定的葡萄糖供应。

其他研究者以前尝试过用导电性聚合物来制作生物超级电容,但电容量不够大,没有实际意义。而这种新装置只有十美分硬币大小,却有 300 法拉第/克的电容量,比先前的装置高四倍多,而提供的电压却差不多。

Minteer 正在与盐湖城的初创公司 32ATPs 合作,进行该技术的商业化开发。研究者们正在尝试将阴极也包裹氧化还原聚合物,以提高装置的电容量。

凯斯西储大学的 Daniel A. Scherson说,将生物燃料电池同超级电容结合的方法具有创新性。但酶的寿命较短,几年后就会分解掉,这可能会成为生物燃料电池驱动植入体的障碍。这种方法可能更适合短期使用的传感器和电子装置,但尚未有人对这类装置进行过论证。“只有出现可靠应用时,生物燃料电池才能崛起,”他说。“对长期应用而言,这是它的致命弱点。”

 

 
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
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