用于可穿戴自充电动物超级电容器的MXene双配置动物阳极设计 (用于可穿戴自动化设备)

背景引见

为了搜集佩戴者生命体征的实时反应，柔性可穿戴 电子产品 开拓了肥壮监测和人机交互的新兴路径。作为可穿戴 电子 产品 最关键的组件之一，柔性电源惹起了宽泛的钻研兴味，例如锂离子（Li-ion）电池和 超级电容器 （SC）。但是，它们有限的能量存储配置须要频繁的充电和及时的电池改换程序。微型自 供电 平台经过从周围环境搜集能量，包含热能、 机械 能（例如压力和摩擦）、太阳能和动物质能，并将其转化为电能，被以为是一种有效且可继续的代替品。得益于易于小型化、可再生催化剂和环境敌平等好处，可穿戴式乳酸酶动物燃料电池（BFC）应用乳酸氧化酶（LOx）将汗液中的乳酸转化为动物电。但是，现有的BFC系统无法成性能量搜集环节中的能量存储配置，并且其功率密度无余使得它们难以驱动实践的可穿戴电子设施。

动物超级 电容 器（BSC）集成了BFC和SC的双重配置，成性能量搜集和存储，被以为是间歇发电的有效处置打算。实质上，混合电池系统由具备电容特性的动物电极组成双配置资料。其上班流程包含两个模块，区分是动物能量采集的充电环节和双电层 电容器 的放电环节。BSC装置不只满足了动物能到电能的转换，而且成功了有效劳量的转换。详细来说，假设应用脉冲放电形式下SC的加快放电特性来监禁贮存的电能，因为贮存电荷的加快监禁，可以成功高功率密度。但是，以往的动物电极普通都是由酶纳米载体和具备电容特性的活性资料组成，其制备环节相对复杂。理论应在柔性基板上对电容资料启动润色，并进一步引入酶和纳米载体来构建BSC动物电极。更关键的是，过载的活性资料总是笼罩酶的活性位点并参与设施重量，就义单位外表积或重量的能量搜集性能。针对上述疑问，设计具备高电容性能的双配置酶纳米载体不只可以降落动物电极的老本和重量，而且可以提高酶的催化活性。

作为一种有前景的酶纳米载体，MXene具备典型的二维（2D）层状结构，具备优秀的动物相容性和丰盛的-COOH、-OH等内表官能团。外表官能团的引入能够提高电容性能并提供弱小的酶固定位点。因为其大的比外表积和高的电导率，它也被证实是一种是SCs中一类坚挺的电极资料，其体积电容优于其余碳质资料。但是，当MXene以传统的滴落形式间接引入动物电极时，无法防止的汇集和面对面MXene纳米片的自重沉积总是限度酶的锚定、电化学应用率并降落电解质离子的可及性。

本文亮点

1.本上班设计了MXene/单壁碳纳米管/乳酸氧化酶分层结构作为双配置动物电极，它不只能为酶的容纳提供优越的三维催化微环境以从汗液中失掉能量，还能经过双层电容器提供足够的电容以存储能量。

2.可穿戴动物超级电容器由复合动物阳极、活性碳/铂阴极、聚丙烯酰胺水凝胶基底和液态金属导体组成"岛桥"结构。

3.在活体测试中，该装置的开路电压为0.48V，在0.5mA/cm²的条件下，功率密度高达220.9μW/cm²。在拉伸/笔挺条件下，成功坚持了与皮肤的严密保形粘附。重复拉伸设施后，脉冲输入功率没有显著衰减。

图文解析

图1MXene/CNT/LOx动物阳极详细分解程序的示用意。经过PDDA处置的单壁碳纳米管(CNT-PDDA)和单层MXene纳米片联合在一同构成3D分层结构MXene/CNT。进一步引入LOx和1,4-NQ拔出MXene/CNT层中以取得MXene/CNT/LOx动物阳极。

图2a)MXene电极的M图像和b）横截面SEM图像；c）MXene/CNT电极的TEM图像和d）横截面SEM图像；e)高倍SEM图像和f)MXene/CNT/LOx动物阳极的TEM图像；g)吸附FITC后MXene/CNT/LOx的3DCLSM观察（绿色）。虚线圆圈突出显示不同的层；h)EDC/NHS润色的MXene/CNT电极的C1s高分辨率XPS谱图；i)MXene/CNT/LOx动物阳极的FR光谱。

图3a）可装置在皮肤上的BSC设施的示用意。能量在单个BFC单元中发生，并存储在汗液中含有的乳酸的电容能量中。四个单元经过液态金属导体衔接；b）充电和放电形式下BSC装置上班机制示用意。

图4BSC装置的电化学特性：a)0.5MPBS中15mM乳酸下不同时期长达36小时的功率密度与电压图以及相应的功率密度保管率（插图）；b)0.5MPBS中15mM乳酸下的OCV图；c)区分经常使用MXene/LOx和MXene/CNT/LOx作为动物阳极时的功率密度与电压的相关图；d)在不同 电流 密度下记载的恒电流充电/放电曲线和e)0.5MPBS中相应的面积电容；f)不同扫描速率下的CV曲线；g)在0.5MPBS中以100mV/s的扫描速率在500个CV循环内测试的稳固性表征；h)BSC装置在不含乳酸的0.5MPBS中充电至0.5V后的自放电曲线；i)存在15mM乳酸时的自充电曲线。

图5a)提升的MXene/CNT晶体结构；b)CNT、MXene和MXene/CNT的总电子态密度；c)提升的MXene/CNT吸附模型；d)C3H6O3吸附在CNT、MXene和MXene/CNT晶格上的吸附能。

图6a)BSC装置在不同电流密度下记载的脉冲放电曲线；b)0.5mA/cm²下1小时内的脉冲放电-自充电曲线，劳动时期为60秒；c)BSC装置的松弛形态和拉伸100%条件示用意；d）100次拉伸循环后的脉冲放电-自充电曲线。电化学测试在0.5MPBS中的15mM乳酸下启动。e)骑健身车时志愿者手臂上装置有BSC设施的体内实验设置图像；f)监测在体测试时期的实践电压，以落第一周期和最后周期相应的脉冲输入。

审核编辑：刘清

原文题目：用于可穿戴自充电动物超级电容器的MXene双配置动物阳极