Nano Lett.同济大学陈涛：石墨烯水凝胶纺织电极，实现具有高柔性和可拉伸酶生物燃料电池

具有良好生物相容性的生物燃料电池有望用作柔性和可穿戴生物电子学的电源。最近，同济大学团队报告了一种高度灵活和可拉伸的生物燃料电池，它由石墨烯/碳纳米管 (G/CNT) 复合材料和聚合物水凝胶电解质的纺织电极实现。从石墨烯层共价生长的碳纳米管阵列不仅可以作为固定酶分子的导电基底，还可以在酶和石墨烯电极之间提供有效的电荷传输通道。因此，开发的生物燃料电池可提供 0.65 V 的高开路电压和 64.2 μW cm-2 的输出功率密度，远高于先前报道的结果。得益于电极的独特纺织结构和聚合物水凝胶电解质，生物燃料电池在400次弯曲循环后仍能保持较高的功率密度，甚至可拉伸至 60% 的高应变。

图 1. (a) G/CNTs/酶复合纺织生物电极示意图。(b,c) 柔性和可拉伸生物燃料电池的示意图。

图 2. (a) 用石墨烯生长的 Ni 织物的 SEM 图像。(b)从石墨烯生长的对齐的 CNT 阵列的 SEM 图像。(c,d) 去除 Ni 基材后 G/CNTs 复合织物的 SEM 图像。(e,f) 不同放大倍数下 G/CNTs/GOx 的 SEM 图像。(g,h) 不同放大倍数下 G/CNTs/BOD 的 SEM 图像。

图 3. 生物电极的电化学性能。

图 4. (a) BFC 的功率分布和极化曲线。(b) 我们的酶促 BFC 的功率输出密度和开路电压与其他先前报道的结果的比较。(c) 并联和串联的两个生物燃料电池的功率分布。(d) BFC 可再生性能四倍。(e) BFC 可再生过程示意图。

图 5. BFC 的机械柔韧性和拉伸性。(a) BFC 在不同弯曲角度下的功率分布。(b) BFC 在不同弯曲角度下的数码照片。（ c ）用于弯曲释放 400 次循环的 BFC 的功率分布。(d) BFC 在不同拉伸应变下的功率分布。(e) BFC 在不同拉伸应变下的数码照片。

总之，团队展示了一种由 G/CNT 复合纺织品基电极和聚合物水凝胶电解质实现的柔性和可拉伸生物燃料电池。从石墨烯层生长的定向碳纳米管阵列不仅可以为电荷传输和转移提供有效的通道，而且可以用作固定酶的载体。通过使用含有葡萄糖的聚合物水凝胶电解质，基于 G/CNTs 纺织品电极开发的生物燃料电池表现出 0.65 V 的高开路电压和 64.2 μW cm-2 的最大面积功率密度。BFC 在 0° 到 180°的弯曲角度下也表现出出色的柔韧性和数百次弯曲循环的循环稳定性。此外，新展示的生物燃料电池在高达 60% 的拉伸应变下可以保持其原始功率密度的 93.5%。因此，具有高电化学性能的高度柔性和可拉伸的 BFCs 在未来用作可植入生物电子学的能量系统非常有希望。

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