可穿戴电子产品主要由小型电化学储能设备(如电池、超级电容器)供电，其能量和功率密度有限，无法提供长时间供电。乳酸基生物燃料电池(BFCs)作为自供电传感器显示出了相当大的前景。依靠人类汗液中高浓度的乳酸，表皮BFCs利用乳酸氧化酶(LOx)在生物阳极和阴极上的氧还原反应(ORR)产生能量。虽然汗液在人体的大部分表皮空间中是自主产生的，但它的流速极低，可穿戴的BFC通常需要剧烈和长期的运动，大量的汗水才能积累到生物电极上发电。因此在实际应用中，迫切需要高能量回收率(EROI)的捕获装置，即自发的指尖汗水收集，立即产生电力。
基于上述研究背景，UCSD大学的Joseph Wang教授团队报道了一种生物燃料电池，这种电池可以从被动的指尖汗液中获取能量，无需任何身体运动就可以持续发电。研究结果以《A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment》为题发表在最新的《Joule》杂志上。并被Nature、Science盛赞！
【可触摸的BFC设计】
可穿戴设备通常需要高效的能量转化器持续提供能量。然而，大多数生物能源收获器不依赖外部环境，是基于过度的身体运动，从输入的机械能中只能获得不到1%的能量，这是非常不切实际和低效的。为了解决这个问题，作者开发并优化了一种用于收集手指天然汗液的BFC，它是由一种柔性、多孔、吸水的三维(3D)碳纳米管(CNT)泡沫构成的，作为BFC电极。在CNT泡沫的阳极和阴极位置分别用LOx和纳米孔Pt装饰，用于乳酸氧化和氧还原，用于生物电催化发电(图1A)。与身体其他部位不同，指尖的排汗率相当高(每小时80 - 160克)这种高效的指尖汗液转化成电力，为BFC供电而不需要过量运动产生汗液。
作者进一步采用多孔聚乙烯醇(PVA)水凝胶来消除汗滴的Laplace压力，以促进汗液从指尖向BFC电极的持续转移，同时保留燃料进行连续收集(图1B)。基于手指接触的BFC可在不需要任何机械输入的情况下连续获得超过10小时的300 mJ/cm2的能量，或每小时按压手指可获得超过30 mJ的能量，仅消耗0.5 mJ的机械能量，从而获得高达6000%的EROI。作者将乳酸基生物燃料电池（BFCs）与锆钛酸铅(PZT)压电发电机结合，进一步提高了手指按压的收获效率。
作者解释道，也就是说睡一觉，每平方厘米就可以产生300 mJ的能量，这足以为手表供电一天。这是迄今为止最高效的能量收集器，从身体上回收能量。解决了常见可穿戴设备的电池体积大、寿命短等问题，并且可以源源不断的从体表汗液和机械运动中汲取能量。
图1:图解说明了基于触摸的BFC和生物能源收集系统的操作方法。
【集成触摸式能量收获器】
作者评估了这种高效的生物能量收集方法对可穿戴设备可持续供电的潜力。集成的BFC-PENG收割机系统框图如图4A所示。PENG的能量收集完全依赖于PZT芯片的机械变形，PZT芯片位于BFC能量收集器的正下方，并在手指按压时被激活。随着压力、频率和变形程度(由垫片的厚度控制)的提高，PZT上产生的功率也随之增加。采用6bpm的最佳压下的频率和50kpa的压力，在47~ 470 μF的外部电容下测试了一个无PZT芯片的BFC的充电速率。该集成系统仅在4分钟内充满电。总收获能量的增加可以归因于在更高的输入电流和电压下，能量调节电路的更高转换效率。
图2：基于触摸的BFC和集成收获系统的性能
综上，在这项工作中，作者演示了一种具有极高EROI的生物燃料能源收获器，它可以有效地从指尖的天然汗水和手指按压运动中收获能量，并在自供电和完全集成的传感装置中实际应用。该设备具有高效、用户友好、生物兼容的能量收集技术，及系统集成优势，为建立可持续、可靠和独立的下一代表皮电子系统，来跟踪医疗保健和健康提供了相当大的指导。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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