柔性可穿戴电子设备需微型自供电系统持续供能。现有锂电与超级电容器存在储能局限，而生物燃料电池（BFCs）虽可利用汗液乳酸发电，却缺乏储能功能且功率不足。生物超级电容器（BSCs）整合BFCs能量收集与超级电容器储能特性，成为理想解决方案。然而，传统生物电极因酶活性位点嵌入过深、催化微环境差等问题制约性能。本研究通过构建MXene基三维层级结构生物阳极，优化酶催化与电子传输，实现高效能量收集与存储。
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生物超级电容器（BSCs）结合生物燃料电池与超级电容器优势，可从汗液中收集并存储能量，但传统生物电极因酶活性位点制备复杂、嵌入深度大等问题受限。本研究设计了一种MXene/单壁碳纳米管/乳酸氧化酶（LOx）层级结构双功能生物阳极，兼具高效催化乳酸氧化与双电层储能能力。基于此阳极，开发了“岛屿-桥梁”结构可穿戴器件，含复合生物阳极、活性炭/铂阴极、水凝胶基板及液态金属导体，实现0.48 V开路电压、0.5 mA cm⁻²下220.9 μW cm⁻²的高功率密度，且拉伸/弯曲后仍保持稳定贴合性与输出性能。该设计为可穿戴自供电平台提供了创新策略。
 
 
‌图1. MXene/CNT/LOx生物阳极的合成过程示意图‌
将经PDDA修饰的单壁碳纳米管（CNT-PDDA）与单层MXene纳米片通过静电作用结合，形成三维层级结构MXene/CNT；随后将乳酸氧化酶（LOx）和1,4-萘醌（1,4-NQ）进一步引入并嵌入MXene/CNT层间，最终得到MXene/CNT/LOx生物阳极。
 
 
图2. 电极材料的形貌与结构表征‌
a) MXene电极的透射电子显微镜（TEM）图像；b) MXene电极的截面扫描电子显微镜（SEM）图像；c) MXene/CNT电极的TEM图像；d) MXene/CNT电极的截面SEM图像；e) MXene/CNT/LOx生物阳极的高倍SEM图像；f) MXene/CNT/LOx生物阳极的TEM图像；g) MXene/CNT/LOx吸附异硫氰酸荧光素（FITC，绿色）后的三维共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像，虚线圆圈标出不同层结构；h) 经EDC/NHS修饰的MXene/CNT电极的C 1s高分辨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. 可贴附皮肤的BSC装置设计与工作原理‌
a) 可贴附皮肤的BSC装置示意图。单个BFC单元通过汗液中的乳酸生成能量，并以电容形式存储；四个单元通过液态金属导体连接。
b) BSC装置在充电模式（能量存储）与放电模式（能量释放）下的工作机制示意图。
 
 
‌图4. BSC装置的电化学性能表征‌
a) 在0.5 M PBS含15 mM乳酸条件下，不同时间（至36小时）的功率密度-电压曲线及功率密度保持率（插图为实物照片）；b) 相同条件下的开路电压（OCV）曲线；c) 分别以MXene/LOx和MXene/CNT/LOx作为生物阳极时的功率密度-电压对比曲线；d) 0.5 M PBS中不同电流密度下的恒电流充放电曲线，e) 对应面积电容计算结果；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) 不含乳酸的0.5 M PBS中，BSC装置充电至0.5 V后的自放电曲线；i) 含15 mM乳酸时的自充电曲线。
 
 
图5. MXene/CNT复合材料的理论模拟分析‌
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（乳酸）在CNT、MXene及MXene/CNT晶格上的吸附能对比。
 
 
图6. BSC装置的脉冲放电性能与机械稳定性验证‌
a) 不同电流密度下记录的BSC装置脉冲放电曲线；b) 0.5 mA cm⁻²电流密度下，以60秒静置间隔进行的1小时脉冲放电-自充电循环曲线；c) BSC装置在松弛状态与100%拉伸状态下的示意图；d) 经历100次拉伸循环后的脉冲放电-自充电曲线（测试条件：0.5 M PBS含15 mM乳酸）；e) 志愿者骑行健身车时BSC装置贴附于手臂的示意图，f) 实验室监测健身场景下采集汗液后的输出电压（插图为首周期与末周期的脉冲输出实物照片）。
 
本研究成功开发了基于MXene/CNT/LOx双功能生物阳极的可穿戴生物超级电容器，兼具高能量收集效率（220.9 μW cm⁻²）与储能性能（245 F g⁻¹），并通过“岛屿-桥梁”结构实现机械顺应性。该工作为可穿戴自供电系统的电极与器件设计提供了新思路，推动其在健康监测等领域的应用。

转自《石墨烯研究》公众号