Хлопковый биотопливный элемент сможет запитать вживляемые устройства
Исследователи из Технологического института Джорджии и Университета Корё создали биотопливный элемент, работающий на глюкозе и использующий электроды из хлопкового волокна. В будущем устройство может стать источником энергии для имплантируемых медицинских устройств, вроде кардиостимуляторов и датчиков.
Мощность изделия в 2 раза выше, в сравнении со стандартными биотопливными элементами, сообщает eurekalert.org. Его можно объединить с батарейками или суперконденсаторами для создания гибридного источника энергии для медицинских устройств. Результаты исследования представлены в Nature Communications.
Для создания высокопроводящих электродов команда нанесла золотые наночастицы на хлопок. Структура позволила решить одну из главных проблем биоТЭ – присоединить к нему фермент, окисляющий глюкозу. Катод и анод изготавливались послойной сборкой. Технология позволила увеличить мощность структуры до 3,7 мВт.
«Мы можем использовать устройство как постоянный источник энергии, преобразующий глюкозу в электричество, — сказал Сеун Ву Ли из Технологического института Джорджии. – Послойная сборка позволила точно контролировать нанесение золотых наночастиц и фермента, увеличивая удельную мощность ТЭ».
Производство электродов начинается с пористой хлопковой нити, состоящего из множества гидрофильных микрофибрилл – целлюлохных волокон, содержащих гидроксильные группы. На них, с помощью органических соединителей, крепятся золотые наночастицы, диаметром около 8 нм.
Для создания анода, окисляющего глюкозу, ученые нанесли фермент глюкооксидазу, чередуя его со слоями фмино-функционализированной малой молекулы TREN. Катод, где происходит восстановление кислорода, использует покрытые золотом электроды с электрокаталитическими свойствами.
Пористость хлопка позволяет увеличить количество золотых слоев, в сравнении с нейлоновыми волокнами. Гидрофильность материала позволяет электролиту легко увлажнять поверхность, объяснил один из соавторов, Енмин Ко. Помимо повышения проводимости электронов, хлопок улучшил биосовместимость устройства, созданного для работы при низких температурах, что позволяет внедрять его в организм человека.
Имплантируемые биоТЭ со временем разрушаются. Новая система решает и эту проблему, продлевая срок службы устройства, сделав его более подходящим для медицинских систем, вроде кардиостимуляторов. На следующих этапах исследователи хотят показать, как ТЭ работает в сочетании с аккумуляторами, и создать функциональный имплантируемый источник энергии.
