可集成到纺织物中的新微生物燃料电池 冯吟洲18301050211 引入:如今,各种基于纺织品的可穿戴电子产品渐渐进入我们的生活,但其能源 需要低功率但长期、柔韧且可拉伸的特性。最近,宾厄姆顿大学课题组尝试将微 生物燃料电池(MFCs)单片集成在单一纺织层中,该产品就算经过反复的扭转 拉伸,仍具有稳定的发电能力。可以预想,未来我们可能能穿上一件生物发电的 智能衣服了。 技术概述:微生物电池MFC(生物燃料电池的一种) 生物燃料电池(BFCs):利用酶或者微生物组织作为催化剂,将燃料的 化学能转化为电能的装置 分类:按催化剂类型分为酶促BFC(EFC)和微生物燃料电池(MFC) 微生物燃料电池(MFC) 酶促BFC(EEC) 区整个微生物细胞作催化剂 用酶作为生物催化剂 别靠合适的电子传递媒介体在生物组分和电极通过生物电化学途径,把燃料中的化学能 之间进行有效的电子传递 转化为电能 弹性更强 功率密度高:近期一个课题组产生了近 点2.能长期稳定的自我维持:微生物含有完整的12mWcm2的功率密度,是所有可穿戴 酶途径,能够自组装,自我修复并自我维护BFC中功率密度最高的 3.微生物更易于从MFC佩戴者体液中收集电力 缺1.安全性:微生物细胞毒性可能引起健康问题1.低稳定性:酶容易退化,缺乏稳定性 点2.电能转换效率较低:传质过程受到生物膜的2.低效电化学性能:酶的氧化还原电活性 阻碍导致电能转换效率较低 位点深深地嵌入酶基质中,这降低了从酶 到电极的电子转移效率。(可能可以用新 的固定技术添加介体或提供直接的电子传递途 径,但目前没有技术突破) 原 理 glucon 微生物 阳极室 閃极 图1酶燃料电池的基本结构模型 图1微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell 酶进行氧化反应 微生物降解或氧化有机物 有直接和间接两种电子传送方式 质子通过质子交换膜到阴极 电子由经外路到阴极发生氧化还原反应 介子将阴极电子送回阳极
可集成到纺织物中的新微生物燃料电池 冯吟洲 18301050211 引入:如今，各种基于纺织品的可穿戴电子产品渐渐进入我们的生活，但其能源 需要低功率但长期、柔韧且可拉伸的特性。最近，宾厄姆顿大学课题组尝试将微 生物燃料电池（MFCs）单片集成在单一纺织层中，该产品就算经过反复的扭转 拉伸，仍具有稳定的发电能力。可以预想，未来我们可能能穿上一件生物发电的 智能衣服了。 技术概述：微生物电池 MFC（生物燃料电池的一种） 生物燃料电池（BFCs）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的 化学能转化为电能的装置 分类：按催化剂类型分为酶促 BFC（EFC）和微生物燃料电池（MFC） 微生物燃料电池（MFC） 酶促 BFC（EFC） 区 别 整个微生物细胞作催化剂 靠合适的电子传递媒介体在生物组分和电极 之间进行有效的电子传递 用酶作为生物催化剂 通过生物电化学途径，把燃料中的化学能 转化为电能 优 点 1.弹性更强 2.能长期稳定的自我维持：微生物含有完整的 酶途径，能够自组装，自我修复并自我维护 3.微生物更易于从 MFC 佩戴者体液中收集电力 功率密度高：近期一个课题组产生了近 1.2 mW cm-2 的功率密度，是所有可穿戴 BFC 中功率密度最高的 缺 点 1.安全性：微生物细胞毒性可能引起健康问题 2.电能转换效率较低：传质过程受到生物膜的 阻碍导致电能转换效率较低 1.低稳定性：酶容易退化，缺乏稳定性 2.低效电化学性能：酶的氧化还原电活性 位点深深地嵌入酶基质中，这降低了从酶 到电极的电子转移效率。（可能可以用新 的固定技术添加介体或提供直接的电子传递途 径，但目前没有技术突破） 原 理 微生物降解或氧化有机物 质子通过质子交换膜到阴极 电子由经外路到阴极发生氧化还原反应 介子将阴极电子送回阳极 酶进行氧化反应 有直接和间接两种电子传送方式
技术应用:MFC技术在基于纺织品的可穿戴电子产品中的应用 应用前景 用于柔性电子商品,在复杂的曲线外形的基底上,如挪动的身体部位或器官,也 可以工作。 为可穿戴电子传感供能(如从人体收集物理,化学和生物实时信息的电子设备 高度导电和可靠的纺织品涂层技术已经推进了诸如的功能) 应用方式:将MFC的所有功能组分结合到两个织物层中:具有导电和亲水聚合物 涂层的阳极层和固态阴极层 MFC通常设计为双室系统(阳极室中的微生物通过离子交换膜与阴极室隔开) 但为了提高MFC性能并简化纺织品基板的设计,宾厄姆顿大学课题组使用无膜单 室MFC 无膜单室MFC:通过丝网印刷,织物一面上是阳极糊,另一面上是阴极糊;使阳 极和阴极不面对不接触,又距离最小。阳极室经专门设计,具有导电性和亲水性: 可用于从液体中的细菌细胞中收集电能;而阴极则使用氧化银氧化还原固态材 单腔无膜MFC单片集成相对于双层设计配置的优点 1.制造简单,易于小型化;成本低,易于大规模生产 2.内阻小。 3.避免纺织品在机械变形中层与层对不准导致性能降低的情况 ::::t LIL Inbeing 6时时时mh=m时cmhm stretching and holdi minute. e) Zone ts twisting deformation twisting and rel 应用效果:MFC的性能在一定程度上由于少数初始机械变形而降低,但随后在 持续的拉伸和扭曲循环中变得稳定
技术应用：MFC 技术在基于纺织品的可穿戴电子产品中的应用 应用前景： 用于柔性电子商品，在复杂的曲线外形的基底上，如挪动的身体部位或器官，也 可以工作。 为可穿戴电子传感供能（如从人体收集物理，化学和生物实时信息的电子设备-- 高度导电和可靠的纺织品涂层技术已经推进了诸如的功能） 应用方式：将 MFC 的所有功能组分结合到两个织物层中：具有导电和亲水聚合物 涂层的阳极层和固态阴极层。 MFC 通常设计为双室系统（阳极室中的微生物通过离子交换膜与阴极室隔开） 但为了提高 MFC 性能并简化纺织品基板的设计，宾厄姆顿大学课题组使用无膜单 室 MFC 无膜单室 MFC：通过丝网印刷，织物一面上是阳极糊，另一面上是阴极糊；使阳 极和阴极不面对不接触，又距离最小。阳极室经专门设计，具有导电性和亲水性， 可用于从液体中的细菌细胞中收集电能；而阴极则使用氧化银氧化还原固态材 料。 单腔无膜 MFC 单片集成相对于双层设计配置的优点： 1.制造简单，易于小型化；成本低，易于大规模生产 2.内阻小。 3.避免纺织品在机械变形中层与层对不准导致性能降低的情况 应用效果： MFC 的性能在一定程度上由于少数初始机械变形而降低，但随后在 持续的拉伸和扭曲循环中变得稳定
技术优点: 1燃料来源合适:利用穿戴者体液(如汘液、唾液、血液和眼泪)中的生化能量 2反应条件温和:常温常压,可以用于日常纺织品 3可拉伸、扭转,能够对抗极端机械变形 4能长期稳定的自我维持:类似于生物有机体与其周围环境中的非生命组件 起工作以创建自我维护的自然系统 5制造简单,成本低:易于小型化和大规模生产 6清洁功能:能够清除汘液、唾液、血液和眼泪等污渍 技术缺点: 1.输出功率较小 2.微生物代谢过程中可能会产生相关的毒素,累积起来可能对人体造成影响 参考文献: [1]Sumiao Pang, Yang Gao, and Seokheun Choi Flexible and Stretchable Biobatteries: Monolithic Integration of Membrane-Free Microbial Fuel Cells in a Single Textile Layer. Advanced Energy. materials. 2018. 8 [2]赵丹.酶型生物燃料电池的研究[D].安徽师范大学硕士学位论文,2013 [3]康峰.生物燃料电池研究进展[J].电源技术,2004
技术优点： 1.燃料来源合适：利用穿戴者体液（如汗液、唾液、血液和眼泪）中的生化能量 2.反应条件温和：常温常压，可以用于日常纺织品 3.可拉伸、扭转,能够对抗极端机械变形 4.能长期稳定的自我维持：类似于生物有机体与其周围环境中的非生命组件，一 起工作以创建自我维护的自然系统 5.制造简单，成本低：易于小型化和大规模生产 6.清洁功能：能够清除汗液、唾液、血液和眼泪等污渍 技术缺点： 1.输出功率较小 2.微生物代谢过程中可能会产生相关的毒素，累积起来可能对人体造成影响 参考文献： [1]Sumiao Pang, Yang Gao, and Seokheun Choi.Flexible and Stretchable Biobatteries: Monolithic Integration of Membrane-Free Microbial Fuel Cells in a Single Textile Layer.Advanced.Energy.materials.2018.8 [2]赵丹.酶型生物燃料电池的研究[D].安徽师范大学硕士学位论文，2013. [3]康峰. 生物燃料电池研究进展[J].电源技术，2004