Keine Batterien? Kein Schweiß! Tragbare Biokraftstoffzellen produzieren jetzt Strom aus Laktat
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Es ist nicht zu leugnen, dass die Miniaturisierung elektronischer Geräte in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht hat. Nach Smartphones im Taschenformat, die alte Desktop-Computer beschämen könnten, und einer Vielzahl von Optionen für die drahtlose Konnektivität gibt es heute einen bestimmten Gerätetyp, dessen Entwicklung stetig voranschreitet: tragbare Biosensoren. Diese winzigen Geräte sollen im Allgemeinen direkt auf der Haut getragen werden, um bestimmte Biosignale zu messen und durch drahtloses Senden von Messungen an Smartphones oder Computer den Gesundheitszustand des Benutzers zu verfolgen.
Obwohl Materialwissenschaftler viele Arten von flexiblen Schaltkreisen und Elektroden für tragbare Geräte entwickelt haben, war es schwierig, eine geeignete Stromquelle für tragbare Biosensoren zu finden. Herkömmliche Knopfbatterien, wie sie in Armbanduhren und Taschenrechnern verwendet werden, sind zu dick und sperrig, während dünnere Batterien Kapazitäts- und sogar Sicherheitsprobleme verursachen würden. Aber was wäre, wenn wir selbst die Stromquellen für tragbare Geräte wären?
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Associate Professor Isao Shitanda von der Tokyo University of Science, Japan, erforscht effiziente Möglichkeiten, Schweiß als einzige Energiequelle für tragbare Elektronik zu nutzen. In ihrer jüngsten Studie, die im Journal of Power Sources veröffentlicht wurde , präsentieren sie ein neuartiges Design für ein Biokraftstoffzellen-Array, das eine Chemikalie in Schweiß und Laktat verwendet, um genug Strom zu erzeugen, um einen Biosensor und drahtlose Kommunikationsgeräte für kurze Zeit anzutreiben. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Seiya Tsujimura von der Universität Tsukuba, Dr. Tsutomu Mikawa von RIKEN und Dr. Hiroyuki Matsui von der Yamagata Universität in Japan durchgeführt.
Ihr neues Biokraftstoffzellen-Array sieht aus wie ein Papierverband, der beispielsweise am Arm oder am Unterarm getragen werden kann. Es besteht im Wesentlichen aus einem wasserabweisenden Papiersubstrat, auf dem mehrere Biokraftstoffzellen in Reihe und parallel angeordnet sind; Die Anzahl der Zellen hängt von der Ausgangsspannung und der erforderlichen Leistung ab. In jeder Zelle erzeugen elektrochemische Reaktionen zwischen Lactat und einem in den Elektroden vorhandenen Enzym einen elektrischen Strom, der zu einem allgemeinen Stromkollektor fließt, der aus einer leitenden Kohlenstoffpaste hergestellt ist.
Dies ist nicht die erste Biokraftstoffzelle auf Laktatbasis, aber einige wesentliche Unterschiede heben dieses neuartige Design von bestehenden Biokraftstoffzellen auf Laktatbasis ab. Eine davon ist die Tatsache, dass die gesamte Vorrichtung durch Siebdruck hergestellt werden kann, eine Technik, die im Allgemeinen für eine kostengünstige Massenproduktion geeignet ist. Dies war durch die sorgfältige Auswahl der Materialien und ein ausgeklügeltes Layout möglich. Während beispielsweise ähnliche frühere Zellen Silberdrähte als leitende Pfade verwendeten, verwenden die vorliegenden Biokraftstoffzellen poröse Kohlenstofftinte. Ein weiterer Vorteil ist die Art und Weise, wie Laktat an die Zellen abgegeben wird. Papierschichten werden verwendet, um Schweiß zu sammeln und gleichzeitig durch den Kapillareffekt zu allen Zellen zu transportieren – der gleiche Effekt, durch den Wasser schnell durch eine Serviette fließt, wenn es mit einer Wasserpfütze in Kontakt kommt.
Diese Vorteile machen die Biokraftstoffzellen-Arrays zu einer beispiellosen Fähigkeit, elektronische Schaltkreise mit Strom zu versorgen, wie Dr. Shitanda bemerkt: „ In unseren Experimenten konnten unsere papierbasierten Biokraftstoffzellen eine Spannung von 3,66 V und eine Ausgangsleistung von 4,3 mW erzeugen. Nach unserem besten Wissen ist diese Leistung erheblich höher als die von zuvor berichteten Laktat-Biokraftstoffzellen. „Um ihre Anwendbarkeit für tragbare Biosensoren und allgemeine elektronische Geräte zu demonstrieren, stellte das Team einen selbstgesteuerten Laktat-Biosensor her, der sich nicht nur mit Laktat selbst versorgen und die Laktatkonzentration im Schweiß messen, sondern auch die gemessenen Werte in Echtzeit an a kommunizieren kann Smartphone über ein Bluetooth-Gerät mit geringem Stromverbrauch.
Wie in einer früheren Studie unter der Leitung von Dr. Shitanda erläutert , ist Laktat ein wichtiger Biomarker, der die Intensität körperlicher Bewegung in Echtzeit widerspiegelt, die für das Training von Sportlern und Rehabilitationspatienten relevant ist. Die vorgeschlagenen Biokraftstoffzellen-Arrays können jedoch nicht nur tragbare Laktat-Biosensoren, sondern auch andere Arten tragbarer Elektronik mit Strom versorgen. „ Wir haben es geschafft, mit einem Tropfen künstlichen Schweißes und unseren Biokraftstoffzellen 1,5 Stunden lang einen handelsüblichen Aktivitätsmesser zu fahren “, erklärt Dr. Shitanda. „ Wir erwarten, dass sie alle Arten von Geräten wie Smartwatches und andere gängige tragbare Geräte. ”
Mit den weiteren Entwicklungen bei tragbaren Biokraftstoffzellen wird die Stromversorgung von tragbaren Elektronikgeräten und Biosensoren hoffentlich kein Problem sein!
Referenz
Titel der Originalarbeiten: Laktat-Biokraftstoffzellen-Array auf Papierbasis mit hoher Leistung
Zeitschrift: Journal of Power Sources
DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2021.229533
Über die Tokyo University of Science
Die Tokyo University of Science (TUS) ist eine bekannte und angesehene Universität und die größte wissenschaftlich spezialisierte private Forschungsuniversität in Japan mit vier Standorten im Zentrum von Tokio und seinen Vororten sowie in Hokkaido. Die Universität wurde 1881 gegründet und hat kontinuierlich zur Entwicklung Japans in der Wissenschaft beigetragen, indem sie Forschern, Technikern und Pädagogen die Liebe zur Wissenschaft vermittelt hat.
Mit der Mission „Wissenschaft und Technologie für die harmonische Entwicklung von Natur, Mensch und Gesellschaft zu schaffen“ hat TUS ein breites Forschungsspektrum von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Wissenschaft betrieben. TUS hat einen multidisziplinären Forschungsansatz verfolgt und intensive Studien in einigen der wichtigsten Bereiche von heute durchgeführt. TUS ist eine Meritokratie, in der das Beste der Wissenschaft anerkannt und gefördert wird. Es ist die einzige private Universität in Japan, die einen Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und die einzige private Universität in Asien, die Nobelpreisträger im Bereich der Naturwissenschaften hervorgebracht hat.
Webseite: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/
Über Associate Professor Isao Shitanda von der Tokyo University of Science
Dr. Isao Shitanda schloss 2001 sein Studium an der Tokyo University of Science ab und promovierte 2006 an der University of Tokyo, Japan. Seit 2012 ist er Associate Professor am Department of Pure and Applied Chemistry der Tokyo University of Science , wo er das Itagaki / Shitanda-Labor leitet. Er ist unter anderem auf elektrochemische Mikro- / Nanosysteme, physikalische und analytische Chemie, biologische Chemie und Umweltchemie spezialisiert. Er hat über 180 Artikel veröffentlicht und hält sieben Patente.
Finanzierungsinformationen
Diese Studie wurde teilweise durch das JST-ASTEP-Stipendium Nr. JPMJTS1513, das JSPS-Stipendium Nr. 17H02162, das Private University Research Branding Project (2017–2019) des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie und das Stipendium der Universität Tokio unterstützt für die Forschungsförderung des Präsidenten.
