超薄燃料電池利用人體自身糖分發(fā)電

科技日報北京5月16日電 （記者張夢然）葡萄糖是人們從食物中吸收的糖分，它是為人體每個細胞提供動力的“燃料”。那么葡萄糖是否也能為醫(yī)療植入物提供動力？美國麻省理工學院和德國慕尼黑工業(yè)大學的工程師給出了肯定答案。他們設(shè)計了一種新型葡萄糖燃料電池，可將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為電能。該裝置厚度僅400納米，約為人類頭發(fā)直徑的1/100。該含糖電源每平方厘米產(chǎn)生約43微瓦的電力，實現(xiàn)了迄今為止葡萄糖燃料電池的最高功率密度。

帶有30個獨立葡萄糖微型燃料電池的硅芯片。圖片來源：《先進材料》

近日，發(fā)表在《先進材料》上的論文指出，新電池能承受高達600℃的溫度。如果嵌入醫(yī)療植入物中，燃料電池可在植入設(shè)備所需的高溫滅菌過程中保持穩(wěn)定。該電池的核心由陶瓷制成，這種材料即使在高溫和微型尺度下也能保持其電化學特性。研究人員設(shè)想，新設(shè)計可制成超薄膜或涂層，并包裹在植入物周圍，利用人體豐富的葡萄糖被動地為電子設(shè)備供電。

在新研究中，研究人員設(shè)計了一種葡萄糖燃料電池，其電解質(zhì)由二氧化鈰制成，二氧化鈰是一種具有高離子電導率的陶瓷材料，機械強度高，因此被廣泛用作氫燃料電池的電解質(zhì)，其已被證明是生物相容的。

研究團隊將電解質(zhì)與由鉑制成的陽極和陰極夾在中間，鉑是一種容易與葡萄糖反應(yīng)的穩(wěn)定材料。他們在一個芯片上制造了150個單獨的葡萄糖燃料電池，每個約400納米薄，300微米寬（大約30根人類頭發(fā)的寬度）。團隊將電池圖案摹刻到硅晶片上，實驗表明電池可與常見的半導體材料配對。隨后他們測量了電池在定制測試站中將葡萄糖溶液流過每個晶片時產(chǎn)生的電流。

團隊發(fā)現(xiàn)，許多電池產(chǎn)生的峰值電壓約為80毫伏。鑒于每個電池的尺寸很小，該輸出已是任何現(xiàn)有葡萄糖燃料電池設(shè)計中最高的功率密度。

研究人員表示：“這是第一次將電陶瓷材料中的質(zhì)子傳導用于葡萄糖到能量的轉(zhuǎn)換，定義了一種新型的電化學。它將材料從氫燃料電池擴展到新的、令人興奮的葡萄糖轉(zhuǎn)換模式。” 新電池使用的陶瓷無毒、便宜，而且對體內(nèi)條件和植入前的滅菌條件都呈惰性，因此為植入傳感器和其他功能的微型電源開辟了一條新途徑。