近期，有研究人员开发了一种基于织物的无膜微流控双入口微生物-酶混合生物燃料电池，以提供一种环保、灵活且高效的能源解决方案，满足未来可穿戴设备对微尺度电源的需求。相关研究以“Textile-Based Membraneless Microfluidic Double-Inlet Hybrid Microbial–Enzymatic Biofuel Cell”为题目，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种基于织物的共层流混合微生物-酶生物燃料电池。采用Shewanella MR-1作为阳极生物催化剂，以及基于葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶的双酶系统作为阴极催化剂，以对身体友好的方式解决过电位损失问题。

2、采用单层Y型通道配置和双进口设计，通过丝网印刷在柔性织物基底上制造微通道和电极，保持了基底的柔韧性且对人体无害。

3、优化了电极材料、催化剂类型、催化剂浓度和阴极电解液中的葡萄糖浓度，所得电池的峰值功率密度可达44.9μW/cm²，最大电流密度为388.9μA/cm²，优于先前报道的织物或纸张基底的微型单一微生物燃料电池。

4、总体而言，该生物燃料电池具有对环境和生物无害的特点，可作为可穿戴设备的微尺度电源平台。

使用织物作为生物燃料电池的基底材料具有以下优势：

1、柔韧性和耐久性：织物基底具有出色的柔韧性和耐久性，适合制作可穿戴设备，能够承受日常使用中的弯曲和拉伸变形。

2、自流动特性：织物基底能够利用毛细管力自动吸收和引导电解质流动，无需外部泵等设备，这简化了电池的制造和操作过程。

3、耐湿性：与纸质基底相比，织物基底在长时间接触电解质后仍能保持结构完整性，不会因为湿润而损坏，提高了电池的稳定性和使用寿命。

4、集成性：织物基底易于与微流控诊断设备集成，为开发多功能、便携式的可穿戴电子设备提供了可能。

5、简化的制造工艺：通过丝网印刷技术在织物基底上制造微通道和电极，实现了单层集成设计，有利于电池的微型化和批量化生产，同时降低了成本。

6、环境友好性：织物基底通常由可再生或可回收材料制成，对环境的影响较小，符合可持续发展的理念。

综上所述，织物基底为生物燃料电池提供了优异的物理性能、简化的制造工艺和良好的集成潜力，非常适合应用于可穿戴电子设备。

采用葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）组成的双酶系统作为阴极催化剂，可以显著提升生物燃料电池的性能，主要体现在以下几个方面：

1、提升电化学反应动力学：GOx催化葡萄糖氧化生成氢离子、电子和葡萄糖内酯，而HRP将产生的过氧化氢分解为水，这一过程有效提高了氧还原反应（ORR）动力学。

2、增加电流输出：双酶系统能够将氧气完全还原为水，避免了产生潜在有害的过氧化氢，从而增加了电流密度和电池的功率密度。

3、增强系统稳定性：与传统的多铜氧化酶相比，双酶系统在生理条件下更加稳定，不易被体内的氯离子或尿酸等物质抑制，有助于维持电池性能的长期稳定。

4、环境友好和生物相容性：与化学氧化剂（如铁氰化物）相比，双酶系统是一种环境友好、对人体无害的催化剂，更适合用于可穿戴设备。

5、提高生物安全性：双酶系统作为阴极催化剂，不仅提升了电池性能，还满足了可穿戴设备对生物安全性的高要求。

总之，GOx-HRP双酶系统的应用，不仅优化了生物燃料电池的电化学性能，还确保了设备的环保性和对人体的安全性，为可穿戴电子设备提供了一种高效、稳定的电源解决方案。

图1.（a）单层织物基双入口共层流混合微生物-酶燃料电池的示意图和（b）设计图。长度单位为毫米。（c）完成的燃料电池的照片。

图2.（a）未经处理的30支棉质基材，（b）PEDOT:PSS印刷电极，（c，d）MWCNT:SWCNT套印电极，（e）接种S.oneidensis的阳极和（f）（GOx-HRP）:PEI固定阴极的FE-SEM图像。

图3.（a）各种电极材料的极化和功率密度曲线，以及（b）各种阴极酶生物催化剂的极化和功率密度曲线。

图4.（a）不同浓度的双酶催化剂的极化和功率密度曲线，（b）阴极电解液中不同浓度的葡萄糖的极化和功率密度曲线。

图5.（a）极化和功率密度曲线以及（b）计时安培图：基于织物的微生物-酶混合生物燃料电池与基于织物的微生物燃料电池，以及纸质基底的微生物-酶混合生物燃料电池的比较。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c10139