Yang Gao、Maryam Rezaie 和 Seokheun Choi（通讯作者）来自美国纽约州立大学宾汉姆顿分校（State University of New York at Binghamton）的生物电子与微系统实验室（Bioelectronics & Microsystems Laboratory）和先进传感技术与环境可持续性研究中心（Center for Research in Advanced Sensing Technologies & Environmental Sustainability）。他们的研究论文《A wearable, disposable paper-based self-charging power system integrating sweat-driven microbial energy harvesting and energy storage devices》于2022年10月23日发表在《Nano Energy》期刊（Volume 104, 107923）。
学术背景
该研究属于柔性电子与生物能源交叉领域，致力于解决一次性可穿戴设备的供能难题。传统可穿戴设备依赖电池供电，存在充电不便、舒适性差、废弃污染等问题。纸质基板因其柔性、低成本、生物相容性和可焚烧处理等优势成为理想载体，但缺乏与之匹配的集成化供能方案。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）可利用汗液中的有机物通过细菌代谢发电，但存在功率低（通常仅微瓦级）、输出不稳定等缺陷。本研究首次将水平结构的纸基MFC与平面叉指超级电容器（Supercapacitor, SC）集成于同一纸质平台，构建了一种自充电混合系统，兼具能量收集与存储功能。
研究流程与方法
1. 水平结构纸基MFC的制备
- 基底设计：采用Whatman™滤纸，通过蜡印（wax printing）和热处理（150°C, 30秒）定义亲/疏水区域。阳极区（0.185 cm²）完全亲水以吸收汗液，阴极区（0.599 cm²）采用部分渗透蜡层实现底部疏水（防止汗液渗透），顶部亲水以负载催化剂。
- 电极修饰：
- 阳极：涂覆PEDOT:PSS导电聚合物（含DMSO增导剂和3-GlyMO增强亲水性），预接种枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）孢子作为可存储生物催化剂。
- 阴极：在PEDOT:PSS中掺入Ag₂O催化剂提升氧还原效率。
- 电路连接：丝网印刷石墨浆料作为集流体，实现MFC串联（如5个单元串联可驱动计算器）。
2. 纸基超级电容器的开发
- 电极材料：通过水热法合成Ni/Sn纳米颗粒修饰的碳纳米管-还原氧化石墨烯（CNT-rGO）复合水凝胶，与PEDOT:PSS混合形成高催化活性墨水。
- 结构设计：8指叉指电极（指宽2.5 mm，间距0.5 mm）通过丝网印刷制备，Ag/AgCl作为集流体，PVA/H₃PO₄凝胶电解质固化后形成固态SC。
- 性能验证：循环伏安（CV）测试显示双电层与赝电容协同作用，在10 mV/s扫描速率下电容达9.81 mF；恒流充放电（GCD）100次循环后容量保持率＞95%。
3. 自充电系统的集成与测试
- 系统构建：将3个MFC与1个SC印刷于同一滤纸上，通过平面电路连接。汗液激活MFC后，SC在51秒内充电至1.2 V，放电容量5.53 µAh。
- 应用验证：系统成功驱动LED（1.2 V, 0.2 mA），并通过3M医用胶带实现皮肤贴合，使用后可通过焚烧处理（22秒完全降解）。
主要结果
- MFC性能：单MFC最大功率密度4 µW/cm²（实际输出0.74 µW），电流密度37 µA/cm²（6.945 µA），阴极/阳极面积比3:1显著提升输出稳定性。
- SC性能：面积电容优于同类纸基器件，ESR（等效串联电阻）仅83 Ω，100次循环后容量衰减＜5%。
- 系统协同效应：MFC-SC混合系统实现持续放电，20次充放电循环后电容保持率96%。
结论与价值
科学价值：
- 首创水平结构纸基MFC，解决垂直堆叠导致的离子传输阻力与制造复杂度问题。
- 提出“自充电生物能源系统”概念，为一次性可穿戴设备提供全印刷、可批量生产的供能方案。
应用价值：
- 适用于医疗监测、电子皮肤等短时使用场景，避免电池污染风险。
- 汗液驱动特性契合运动健康监测需求，焚烧处理符合生物安全标准。
研究亮点
- 创新设计：水平MFC与平面SC的单片纸集成，实现制造工艺革命性简化。
- 生物兼容性：孢子休眠/激活机制延长存储时间，无需持续维护活菌。
- 性能突破：功率密度较传统纸基MFC提升近10倍，SC循环稳定性达商用水平。
其他价值
- 研究获美国国家科学基金会（NSF #1920979）支持，相关技术已申请专利，为后续开发可降解电子器件奠定基础。