本文报道了一种基于MXene的双功能生物阳极，具有3D分层结构，用于可穿戴自充电生物超级电容器。该设备在能量收集和储存方面表现出色，开路电压为0.5 V，最大功率密度为341 μW cm^-2，在2 mA cm^-2下最大瞬时功率密度达到510.2 μW cm^-2。此外，该设备对重复拉伸测量不敏感，且在体内测试中表现出高瞬时功率密度。这些优异的性能归因于分层结构MXene/CNT提供的稳健催化微环境、生物阳极的大比表面积和丰富表面官能团以及良好的机械顺应性。本文的研究为生物能量收集平台的电极和设备设计提供了创新的设计策略。
图1. MXene/CNT/LOx生物阳极的详细合成过程示意图
通过将PDDA处理的单壁碳纳米管（CNT-PDDA）与单层MXene纳米片结合，形成三维分层结构的MXene/CNT复合材料。随后将乳酸氧化酶（LOx）和1,4-萘醌（1,4-NQ）插入MXene/CNT的层间，最终获得MXene/CNT/LOx生物阳极。
图2. a) MXene电极的TEM图像和b) 横截面SEM图像；c) MXene/CNT复合电极的TEM图像和d) 横截面SEM图像；e) MXene/CNT/LOx生物阳极的高倍SEM图像和f) TEM图像；g) MXene/CNT/LOx吸附FITC（绿色荧光标记）后的三维共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察，虚线圆圈标注不同层状结构；h) 经EDC/NHS修饰的MXene/CNT电极的C 1s高分辨率X射线光电子能谱（XPS）；i) MXene/CNT/LOx生物阳极的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。
图3. a) 可贴附皮肤的BSC装置示意图。能量在单个BFC单元中生成，并通过汗液中的乳酸实现电容储能。四个单元通过液态金属导体连接。b) BSC装置在充电与放电模式下的工作机制示意图。
图4. BSC器件的电化学性能
a) 在含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中，不同时间（最长36小时）下的功率密度-电压曲线及对应的功率密度保持率（插图）；
b) 含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液中开路电压（OCV）曲线；
c) 分别采用MXene/LOx和MXene/CNT/LOx作为生物阳极时的功率密度-电压曲线对比；
d) 0.5 M PBS中不同电流密度下的恒电流充放电曲线及e) 对应的面积电容；
f) 不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；
g) 0.5 M PBS中以100 mV s⁻¹扫描速率进行500次CV循环的稳定性测试；
h) BSC装置在0.5 M PBS（不含乳酸）中充电至0.5 V后的自放电曲线；
i) 含15 mM乳酸条件下的自充电曲线。
图5. a) MXene/CNT的优化晶体结构；b) CNT、MXene及MXene/CNT的总电子态密度；c) MXene/CNT的优化吸附模型；d) C3H6O3在CNT、MXene及MXene/CNT晶格上的吸附能对比。
图6.
a) BSC装置在不同电流密度下的脉冲放电曲线；
b) 0.5 mA cm⁻²电流密度下持续1小时（间隔60秒静置）的脉冲放电-自充电曲线；
c) BSC装置在松弛状态与拉伸100%状态下的结构示意图；
d) 经过100次拉伸循环后的脉冲放电-自充电曲线（测试条件：含15 mM乳酸的0.5 M PBS溶液）；
e) 志愿者骑行健身车时佩戴于手臂的BSC装置示意图及f) 在健身房中收集志愿者汗液后的输出电压实验室监测（插图为首周期与末周期的脉冲输出对比）。
柔性可穿戴电子设备依赖高效能源，但现有电源（如锂离子电池）存在储能有限、需频繁充电等问题。微自供电平台通过收集环境能源（如汗液中的乳酸）转化为电能，其中乳酸酶促生物燃料电池（BFCs）虽具小型化与环保优势，但无法同步储电且功率不足。BSCs融合BFCs与超级电容器功能，实现能量收集与储存协同，成为间歇供电的理想方案。本研究通过创新电极结构与器件设计，解决了传统技术瓶颈，推动可穿戴设备在健康监测等领域的实用化发展。
生物超级电容器（BSCs）结合生物燃料电池与超级电容器优势，可从汗液中收集并储存能量。针对传统生物电极制备复杂、酶活性位点深嵌导致的能量收集效率低等问题，本研究设计了一种MXene/单壁碳纳米管/乳酸氧化酶分层双功能生物阳极，其3D催化微环境不仅优化了酶活性，还通过双电层电容实现高效储电。基于“岛桥”结构的可穿戴设备包含复合生物阳极、活性炭/铂阴极、聚丙烯酰胺水凝胶基板及液态金属导体，在0.5 mA cm⁻²下实现0.48 V开路电压与220.9 μW cm⁻²功率密度，且在拉伸/弯曲下仍保持稳定贴合与输出性能，为可穿戴自供电平台提供新思路。
感谢国家自然科学基金、重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目以及国家自然科学基金创新研究群体项目的资助。DOI: 10.1002/adma.202305854
转自《石墨烯研究》公众号
