材研“1-0” | 文丹、卢锦花教授AFM：基于柔性碳膜的可穿戴表皮混合型生物燃料电池用于生物能量采集与汗液生物标志物监测

开发高性能可穿戴自供电系统对推动可穿戴电子设备便捷式发展，实现个性化健康监测、人机交互等具有重要意义。以氧化还原酶为催化剂的生物燃料电池（BFC）可催化汗液生物分子转化产电，并可基于底物效应实现汗液标志物自供能监测，独特的工作机制赋予其优异的生物相容性和微型化潜力因而备受关注。然而，当前BFC仍面临因天然酶电子转移速率缓慢、易变性所致功率输出低、稳定性差的瓶颈，且存在穿戴应用中与机体组织力学失配的问题。因此，亟待发展高效柔性电极以构筑可穿戴BFC实现汗液能量收集和生物标志物灵敏稳定地自供能监测。

西北工业大学材料学院文丹教授、卢锦花教授报道了基于柔性碳膜的可穿戴混合生物燃料电池用于生物能量收集和汗液生物标志物葡萄糖的自供能监测。研究者设计了电化学活性优异的柔性碳膜（NPC），并在其表面原位负载铂纳米颗粒（NPC-Pt）和电沉积二氧化锰（NPC-MnO₂）分别作为葡萄糖催化阳极和非氧依赖型电容式阴极，以此构筑的无酶混合生物燃料电池具有高功率输出（680 µW cm^-2）和良好的稳定性（间断运行30天衰减仅为4.2%），并可基于底物效应实现高效地葡萄糖自供能监测（线性范围：0.05-20 mM）。该生物燃料电池可收集人体汗液能量供能，并可集成信号处理电路实现汗液葡萄糖实时监测。相关工作以“Flexible Carbon Film-Based Wearable Epidermal Hybrid Biofuel Cell for Bioenergy Harvesting and Biomarker Monitoring”为题发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials。论文的第一作者是西北工业大学材料学院博士生叶建岐，通讯作者是西北工业大学文丹教授和卢锦花教授。

通过真空抽滤氧化石墨烯与聚苯胺水凝胶混合溶液，并经水热还原得到自支撑柔性碳膜（NPC）。形貌表征显示NPC呈现“三明治”结构，即聚苯胺衍生的树突状交联纳米棒紧密封装于石墨烯片层之间，并且N、P异质元素在碳膜结构中分布均匀；FTIR、XRD等谱学表征证实了石墨烯与聚苯胺之间的相互作用，可有效提升NPC机械性能。

电化学测试表明相较于商业化玻碳、碳纸或碳布电极，NPC具有更大的电化学活性面积、更快速的电荷转移速率，以及更高的扩散系数和本征电导率；并且在不同形变下NPC的电化学活性几乎未发生衰减，证实其具有优异的机械柔性。

以NPC为载体，经水热还原在其表面原位负载铂纳米颗粒构建NPC-Pt，形貌表征证实铂纳米颗粒在NPC表面密集且均匀负载，电化学测试表明Pt纳米颗粒的引入赋予NPC优异的葡萄糖催化活性，使其可作为葡萄糖催化阳极以构建BFC。为克服可穿戴生物燃料电池中氧气难于持续充足供应及与阳极反应交叉干扰的影响，研究者在NPC表面电沉积电容性质优异且对葡萄糖催化惰性的MnO₂，谱学及形貌表征证实了MnO₂的成功沉积且表现为花瓣状纳米团聚体。电化学测试表明NPC-MnO₂具有良好的电容性能，有望作为高效电容式阴极以替代传统的氧气还原阴极。

以NPC-Pt和NPC-MnO₂分别作为葡萄糖催化阳极和电容式阴极构建生物燃料电池，在50 mM葡萄糖溶液中其开路电压和功率密度分别为0.92 V和680 µW cm^-2，为目前文献所报道的非酶生物燃料电池最佳结果之一；并且经长达一个月的间断运行该BFC功率输出相较初始性能仅衰减4.2%。此外，基于底物效应可通过BFC功率输出变化实现葡萄糖自供能监测（线性范围：0.05-20 mM），并且作为自供能传感器表现出良好的选择性。

以热塑性聚氨酯为柔性基底构建可穿戴生物燃料电池器件，该可穿戴生物燃料电池具有良好的皮肤保形性，且在不同形变（弯曲、折叠等）下功率输出变化小于6%，证实其良好的机械柔性。在体实验表明该可穿戴生物燃料电池可从人体汗液中获取能量，与柔性信号处理电路集成可实现汗液葡萄糖的实时监测，并以高效液相色谱验证了其监测准确性。

本研究开发的可穿戴生物燃料电池为汗液能量收集和生物标志物自供能实时监测提供了新的解决方案。基于柔性碳膜设计和电容式阴极耦合策略所构筑的可穿戴生物燃料电池功率输出高、稳定性持久且与机体适形性良好，并可以汗液葡萄糖供能实现灵敏、稳定地葡萄糖实时监测。该研究可为针对多种场景的柔性可穿戴生物燃料电池和自供能传感系统的构建提供指导，有望推动可穿戴电子和个性化医疗系统的发展。

通讯作者简介

文丹

西北工业大学材料学院教授、博士生导师，国家级青年人才。主要从事金属凝胶基柔性电化学传感、特种柔性感知、电化学诊疗一体化研究工作。迄今已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Chem. Sci., Anal. Chem.等国际学术期刊发表研究论文100余篇，他引6000余次，H因子43。

卢锦花

西北工业大学材料学院教授、博士生导师。主要从事碳/碳复合材料的制备、碳基纳米材料的制备及功能化等研究工作。迄今已在Composites Part B-Engineering、Journal of the European Ceramic Society、Corrosion Science等等国际学术期刊发表研究论文30余篇。

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