本文報道了一種基于MXene的雙功能生物陽極，具有3D分層結構，用于可穿戴自充電生物超級電容器。該設備在能量收集和儲存方面表現出色，開路電壓為0.5 V，最大功率密度為341 μW cm^-2，在2 mA cm^-2下最大瞬時功率密度達到510.2 μW cm^-2。此外，該設備對重復拉伸測量不敏感，且在體內測試中表現出高瞬時功率密度。這些優異的性能歸因于分層結構MXene/CNT提供的穩健催化微環境、生物陽極的大比表面積和豐富表面官能團以及良好的機械順應性。本文的研究為生物能量收集平臺的電極和設備設計提供了創新的設計策略。
圖1. MXene/CNT/LOx生物陽極的詳細合成過程示意圖
通過將PDDA處理的單壁碳納米管（CNT-PDDA）與單層MXene納米片結合，形成三維分層結構的MXene/CNT復合材料。隨后將乳酸氧化酶（LOx）和1,4-萘醌（1,4-NQ）插入MXene/CNT的層間，最終獲得MXene/CNT/LOx生物陽極。
圖2. a) MXene電極的TEM圖像和b) 橫截面SEM圖像；c) MXene/CNT復合電極的TEM圖像和d) 橫截面SEM圖像；e) MXene/CNT/LOx生物陽極的高倍SEM圖像和f) TEM圖像；g) MXene/CNT/LOx吸附FITC（綠色熒光標記）后的三維共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）觀察，虛線圓圈標注不同層狀結構；h) 經EDC/NHS修飾的MXene/CNT電極的C 1s高分辨率X射線光電子能譜（XPS）；i) MXene/CNT/LOx生物陽極的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。
圖3. a) 可貼附皮膚的BSC裝置示意圖。能量在單個BFC單元中生成，并通過汗液中的乳酸實現電容儲能。四個單元通過液態金屬導體連接。b) BSC裝置在充電與放電模式下的工作機制示意圖。
圖4. BSC器件的電化學性能
a) 在含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中，不同時間（最長36小時）下的功率密度-電壓曲線及對應的功率密度保持率（插圖）；
b) 含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中開路電壓（OCV）曲線；
c) 分別采用MXene/LOx和MXene/CNT/LOx作為生物陽極時的功率密度-電壓曲線對比；
d) 0.5 M PBS中不同電流密度下的恒電流充放電曲線及e) 對應的面積電容；
f) 不同掃描速率下的循環伏安（CV）曲線；
g) 0.5 M PBS中以100 mV s?¹掃描速率進行500次CV循環的穩定性測試；
h) BSC裝置在0.5 M PBS（不含乳酸）中充電至0.5 V后的自放電曲線；
i) 含15 mM乳酸條件下的自充電曲線。
圖5. a) MXene/CNT的優化晶體結構；b) CNT、MXene及MXene/CNT的總電子態密度；c) MXene/CNT的優化吸附模型；d) C3H6O3在CNT、MXene及MXene/CNT晶格上的吸附能對比。
圖6.
a) BSC裝置在不同電流密度下的脈沖放電曲線；
b) 0.5 mA cm?²電流密度下持續1小時（間隔60秒靜置）的脈沖放電-自充電曲線；
c) BSC裝置在松弛狀態與拉伸100%狀態下的結構示意圖；
d) 經過100次拉伸循環后的脈沖放電-自充電曲線（測試條件：含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液）；
e) 志愿者騎行健身車時佩戴于手臂的BSC裝置示意圖及f) 在健身房中收集志愿者汗液后的輸出電壓實驗室監測（插圖為首周期與末周期的脈沖輸出對比）。
柔性可穿戴電子設備依賴高效能源，但現有電源（如鋰離子電池）存在儲能有限、需頻繁充電等問題。微自供電平臺通過收集環境能源（如汗液中的乳酸）轉化為電能，其中乳酸酶促生物燃料電池（BFCs）雖具小型化與環保優勢，但無法同步儲電且功率不足。BSCs融合BFCs與超級電容器功能，實現能量收集與儲存協同，成為間歇供電的理想方案。本研究通過創新電極結構與器件設計，解決了傳統技術瓶頸，推動可穿戴設備在健康監測等領域的實用化發展。
生物超級電容器（BSCs）結合生物燃料電池與超級電容器優勢，可從汗液中收集并儲存能量。針對傳統生物電極制備復雜、酶活性位點深嵌導致的能量收集效率低等問題，本研究設計了一種MXene/單壁碳納米管/乳酸氧化酶分層雙功能生物陽極，其3D催化微環境不僅優化了酶活性，還通過雙電層電容實現高效儲電。基于“島橋”結構的可穿戴設備包含復合生物陽極、活性炭/鉑陰極、聚丙烯酰胺水凝膠基板及液態金屬導體，在0.5 mA cm?²下實現0.48 V開路電壓與220.9 μW cm?²功率密度，且在拉伸/彎曲下仍保持穩定貼合與輸出性能，為可穿戴自供電平臺提供新思路。
感謝國家自然科學基金、重慶市基礎科學與前沿技術研究專項項目以及國家自然科學基金創新研究群體項目的資助。DOI: 10.1002/adma.202305854
轉自《石墨烯研究》公眾號
