这篇文献名为《high-power “nesting-doll” biofuel cell enabled by free-standing electrodes with inherent enzymatic function》，作者包括Yuqing Wang、Junhua Liu、Haoran Gu、Chengcheng Gu、Panpan Gai、Feng Li，来自中国青岛农业大学化学与药学学院。该研究发表在《Biosensors and Bioelectronics》期刊上，2025年2月19日上线。本文报告了一项关于高功率“套娃型”生物燃料电池的研究，研究重点是利用具备固有酶样活性的自由支撑电极。
生物燃料电池（BFC）是一种绿色能源设备，基于生物催化剂介导的氧化还原反应，将化学能转化为电能。然而，生物燃料电池由于其相对较低的性能，限制了其广泛应用。为了改善这一问题，研究者们提出了一种新型的全合一策略，通过设计具备固有酶样活性和高导电性的自由支撑电极，解决了酶与电极界面的动态限制，从而提高了电池的性能和稳定性。具体来说，研究中采用了铜泡沫（Cu foam）作为前体，通过一步步的“离子腐蚀-电化学接枝配位”方法合成了具备laccase样（木聚糖氧化酶）活性的自由支撑阴极，同时通过原位加载金粒子在镍泡沫（Ni foam）上，模拟葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOD）活性。研究的创新之处在于，这种自由支撑电极避免了传统方法中将酶涂覆到电极上的需求，从而消除了酶-电极界面的问题，使电子传递更加高效。
本研究设计的“套娃型”生物燃料电池（NBFC）结构创新地将阳极放置在阴极内，形成多层同轴结构。通过增加NBFC的层数，研究团队实现了电池开路电压（EOCV）1.7V和3639.0 μW/cm²的功率密度，远超以往报道的生物燃料电池的性能。这一研究通过一系列详细的实验步骤展开，涵盖了电极的制备、电化学性能测试及NBFC的构建等。
自由支撑阴极的制备：首先，铜泡沫（Cu foam）被预处理，去除表面杂质，然后浸泡在氯化钠（NaCl）溶液中进行腐蚀，接着通过电化学接枝反应，将3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑（HDATRZ）接枝到铜泡沫上，最终得到了自由支撑阴极（LCF）。通过SEM、XPS等技术对阴极的微观结构和化学成分进行了表征，验证了其酶样活性，尤其是对氧气的还原催化能力。
自由支撑阳极的制备：镍泡沫（Ni foam）同样经历了类似的处理过程，通过氯化钠溶液的腐蚀，之后在其表面加载金纳米粒子（Au NPs），形成具备葡萄糖氧化酶样活性的自由支撑阳极（GNF）。该阳极的电化学性能通过葡萄糖的氧化反应进行了评估，证明了其在中性条件下能够高效催化葡萄糖的氧化反应。
“套娃型”生物燃料电池的构建：通过将自由支撑阴极和阳极结合，并使用Nafion膜（质子交换膜）将两者分隔，研究团队构建了NBFC设备。在测试中，随着NBFC层数的增加，其开路电压和功率密度均显著提升。
电化学性能的评估：研究通过循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）等方法评估了电极和电池的电化学性能，研究表明，自由支撑电极的催化活性和电导率明显优于传统电极。
稳定性测试：为了验证NBFC的稳定性，研究团队对其进行了一系列长时间操作测试，结果显示，经过15天操作后，NBFC的电池性能仍能保持较高水平，表明其具有优异的长期稳定性。
自由支撑电极的电化学性能：LCF阴极表现出了优异的木聚糖氧化酶样活性，且在氧气还原反应中展现出了较高的电催化活性。GNF阳极则表现出优秀的葡萄糖氧化酶样活性，能够高效地催化葡萄糖的氧化反应。通过系列实验，研究表明，LCF和GNF在生物燃料电池中的表现远超传统电极。
“套娃型”结构的优势：通过“套娃型”结构的设计，研究团队成功减少了电极之间的距离，降低了内阻，提高了电子传递效率，从而显著提高了NBFC的开路电压和输出功率密度。
高性能NBFC的表现：经过层数增加后的四层NBFC，其EOCV达到了1.7V，输出功率密度达到3639.0 μW/cm²，表现超过了文献中报道的许多生物燃料电池，展现了其作为绿色能源装置的巨大潜力。
长期稳定性：通过长时间操作测试，NBFC仍然保持较高的电池性能，且相较于传统酶催化的BFC，NBFC的稳定性更为突出。
本研究提出的自由支撑电极和“套娃型”结构的生物燃料电池方案，成功克服了传统BFC的性能瓶颈，提高了其输出功率和稳定性。通过不依赖传统的酶涂覆方式，直接在电极上整合酶功能，显著提高了电子传递效率和催化活性。这一创新方法不仅推动了BFC技术的发展，也为可穿戴设备和植入式设备提供了更为稳定和高效的电源解决方案。研究结果显示，随着层数的增加，NBFC的性能得到显著提升，具有广泛的应用潜力。
创新的自由支撑电极设计：该设计消除了传统电极表面涂覆酶的需求，直接在电极上实现酶样催化活性，提高了电池的效率和稳定性。
“套娃型”结构的高效性：通过将阳极嵌入阴极内部，形成多层同轴结构，显著提高了电池的开路电压和输出功率密度，展示了其在高性能BFC中的独特优势。
优异的稳定性：经过长时间的操作测试，NBFC表现出优异的长期稳定性，这对于实际应用中的能源需求尤为重要。
本研究不仅推动了生物燃料电池技术的进步，也为可穿戴或植入式设备、连续监测设备等领域的能源提供了新的解决方案。通过提高电池的稳定性和功率输出，该研究在未来的绿色能源领域具有重要的应用价值和科学意义。