[发明专利]一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用。所述阴极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、胆红素氧化酶层。该阴极可用于制备利用活体植物发电的酶生物燃料电池。本发明还可将上述燃料电池串联和/或并联连接形成植物激活酶生物燃料堆栈。发电时，将每个酶生物燃料电池装置分别插入单个植物或由植物切割成的独立的分裂部分。本发明可以实现电池的合理配置，从而最大限度地发挥每种配置的效果，并按需为不同的设备供电。

技术领域

本发明属于生物燃料电池领域，具体涉及一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用。

背景技术

对便携式微电子设备供电需求的快速增长为能源技术的发展提供了强大的推动力，尤其是在一些具有挑战性的条件下(如资源有限和偏远地区)。虽然传统系统已经在这方面进行了开发，但其体积大、安全性低、化学试剂稀少且有害，且需要频繁充电，极大地阻碍了其在实际应用中的进一步发展。因此，开发具有可再生、易得、能量密度高、安全性强的可持续能源技术备受关注。酶促生物燃料电池(EBFC)通常是首选系统，因为氧化还原酶的高反应选择性带来了独特的优势，包括高能量密度和无需纯化即可从活生物体中丰富的生物流体发电的可能性。

植物作为一种高产生物，在世界范围内分布广泛，甚至在偏远的野外也有分布，因此活体植物中的生物流体被认为是现成的首选能源(图1a)。考虑到新陈代谢产生的葡萄糖是生物体最重要的能源之一，从生物体中丰富的生物流体中提取电能的葡萄糖/氧EBFCs引发了对电子设备能量收集挑战的持续关注。例如，Katz和他的同事报道了一个橙色的发电，并在电荷泵的帮助下成功激活了无线发射器[1]。

不幸的是，虽然一些微电子设备可以在相对较低的电气工作条件下工作，但其他人所需的工作电压是几伏或几毫瓦的功率[2]。例如，使用外部可变电源进行测量得到手表操作所需的最小电压为0.7V[3]。此外，一次性排卵测试需要3V的最低电压和1.7mW的功率才能激活[4]。因此，由植物激活的EBFC供电的某些类型的微电子设备不仅需要非常注意功率因素，还需要注意电压调节。不幸的是，EBFC产生的开路电压(OCV))在热力学上受到葡萄糖氧化和氧还原的氧化还原电位的限制[5]。为了提高电压，研究人员通常采用额外的电荷泵来增加直流电压[6]，但代价是电荷泵消耗更多电流[7]。此外，EBFC的功率和电流输出并不能简单地通过增加电极的几何尺寸来提高，因为酶在整个电极表面的均匀固定成为一个问题。电极内阻、溶液电阻和传质的影响导致电流分布不能被忽略[8]。为了满足不同微电子器件的工作条件，探索一种通用且新颖的策略来根据需要提高输出电流和/或电压而不会产生额外的能量损失，这一点非常重要。

参考文献：

[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