[發(fā)明專利]一種利用活體植物發(fā)電的酶生物燃料電池

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210573790.7
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114927735A
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡宗倩;許崔星
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發(fā)明公開了一種利用活體植物發(fā)電的酶生物燃料電池。該酶生物燃料電池，包括生物陽極、生物陰極以及電解質(zhì)瓊脂糖水凝膠；所述生物陽極，包括碳布，以及在所述碳布上依次疊加的三維氮摻雜碳層、1,4?萘醌層、葡萄糖脫氫酶層；所述生物陰極，包括碳布，以及在所述碳布上依次疊加的三維氮摻雜碳層、膽紅素氧化酶層；所述瓊脂糖水凝膠由1％瓊脂糖溶液制備。本發(fā)明還可將上述燃料電池串聯(lián)和/或并聯(lián)連接形成植物激活酶生物燃料堆棧。發(fā)電時，將每個酶生物燃料電池裝置分別插入單個植物或由植物切割成的獨立的分裂部分。本發(fā)明可以實現(xiàn)電池的合理配置，從而最大限度地發(fā)揮每種配置的效果，并按需為不同的設(shè)備供電。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種利用活體植物發(fā)電的酶生物燃料電池。

背景技術(shù)

對便攜式微電子設(shè)備供電需求的快速增長為能源技術(shù)的發(fā)展提供了強大的推動力，尤其是在一些具有挑戰(zhàn)性的條件下(如資源有限和偏遠(yuǎn)地區(qū))。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)在這方面進(jìn)行了開發(fā)，但其體積大、安全性低、化學(xué)試劑稀少且有害，且需要頻繁充電，極大地阻礙了其在實際應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。因此，開發(fā)具有可再生、易得、能量密度高、安全性強的可持續(xù)能源技術(shù)備受關(guān)注。酶促生物燃料電池(EBFC)通常是首選系統(tǒng)，因為氧化還原酶的高反應(yīng)選擇性帶來了獨特的優(yōu)勢，包括高能量密度和無需純化即可從活生物體中豐富的生物流體發(fā)電的可能性。

植物作為一種高產(chǎn)生物，在世界范圍內(nèi)分布廣泛，甚至在偏遠(yuǎn)的野外也有分布，因此活體植物中的生物流體被認(rèn)為是現(xiàn)成的首選能源(圖1a)。考慮到新陳代謝產(chǎn)生的葡萄糖是生物體最重要的能源之一，從生物體中豐富的生物流體中提取電能的葡萄糖/氧EBFCs引發(fā)了對電子設(shè)備能量收集挑戰(zhàn)的持續(xù)關(guān)注。例如，Katz和他的同事報道了一個橙色的發(fā)電，并在電荷泵的幫助下成功激活了無線發(fā)射器[1]。

不幸的是，雖然一些微電子設(shè)備可以在相對較低的電氣工作條件下工作，但其他人所需的工作電壓是幾伏或幾毫瓦的功率[2]。例如，使用外部可變電源進(jìn)行測量得到手表操作所需的最小電壓為0.7V[3]。此外，一次性排卵測試需要3V的最低電壓和1.7mW的功率才能激活[4]。因此，由植物激活的EBFC供電的某些類型的微電子設(shè)備不僅需要非常注意功率因素，還需要注意電壓調(diào)節(jié)。不幸的是，EBFC產(chǎn)生的開路電壓(OCV)在熱力學(xué)上受到葡萄糖氧化和氧還原的氧化還原電位的限制[5]。為了提高電壓，研究人員通常采用額外的電荷泵來增加直流電壓[6]，但代價是電荷泵消耗更多電流[7]。此外，EBFC的功率和電流輸出并不能簡單地通過增加電極的幾何尺寸來提高，因為酶在整個電極表面的均勻固定成為一個問題。電極內(nèi)阻、溶液電阻和傳質(zhì)的影響導(dǎo)致電流分布不能被忽略[8]。為了滿足不同微電子器件的工作條件，探索一種通用且新穎的策略來根據(jù)需要提高輸出電流和/或電壓而不會產(chǎn)生額外的能量損失，這一點非常重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]P.Bollella,I.Lee,D.Blaauw,E.Katz,A microelectronic sensor devicepowered by a small implantable biofuel cell,no.2020

[2]L.Halámková,J.Halámek,V.Bocharova,et al.,Implanted Biofuel CellOperating in a Living Snail,Journal of the American Chemical Society,Vol.134,no.11,pp 5040-5043,2012

[3]V.Flexer,N.Mano,From Dynamic Measurements of Photosynthesis in aLiving Plant to Sunlight Transformation into Electricity,AnalyticalChemistry,Vol.82,no.4,pp 1444-1449,2010