这种含糖能源每平方厘米可产生约 43 微瓦的电力，在环境条件下实现了迄今为止任何葡萄糖燃料电池的最高功率密度。.

这款新型装置也十分耐用，能够承受高达 600 摄氏度的高温。如果将其集成到医疗植入物中，燃料电池可以在所有植入式设备所需的高温灭菌过程中保持稳定。.

这种新型装置的核心部件由陶瓷制成，这种材料即使在高温和微型化条件下也能保持其电化学性能。研究人员设想，这种新设计可以制成超薄膜或涂层，并包裹在植入物周围，利用人体丰富的葡萄糖储备为电子元件被动供电。.

“葡萄糖遍布全身，我们的想法是收集这种唾手可得的能量，并用它来为植入式设备供电，”菲利普·西蒙斯解释道。他在麻省理工学院材料科学与工程系攻读博士学位期间，开发了这项设计。“在我们的研究中，我们展示了一种新型的葡萄糖燃料电池电化学方法。”.

“与其使用电池（电池会占据植入物 90% 的体积），不如制造一个薄膜装置，这样就能得到一个体积上没有占地的电源，” 西蒙斯的论文导师、DMSE 的客座教授兼慕尼黑工业大学（德国）固态电解质化学副教授詹妮弗·LM·鲁普说道。

西蒙斯和他的同事今天在《先进材料》杂志上详细介绍了他们的设计。该研究的共同作者包括鲁普、史蒂文·申克、马尔科·吉塞尔和洛伦茨·奥尔布里奇。.

艰难的分离

新型燃料电池的灵感源于 2016 年，当时专攻陶瓷和电化学设备的 Rupp 在怀孕后期进行例行血糖测试时，偶然发现了这种燃料电池。.

“在医生办公室里，我对电化学感到非常厌倦，开始思考糖和电化学能结合起来做什么，”鲁普回忆道。“然后我意识到，如果能有一个以葡萄糖为动力的固态装置，那该多棒啊。于是，我和菲利普一起喝咖啡，在餐巾纸上画出了最初的草图。”.

该团队并非首个构思葡萄糖燃料电池的团队。葡萄糖燃料电池最初于20世纪60年代问世，并展现出将葡萄糖化学能转化为电能的潜力。但当时的葡萄糖燃料电池基于软聚合物，很快就被碘化锂电池所取代，后者成为医疗植入物（尤其是心脏起搏器）的标准电源。.

但是，电池的尺寸是有限制的，因为它们的设计需要一定的物理容量来储存能量。.

鲁普说： “燃料电池直接转换能量，而不是将其存储在设备中，因此不需要像电池那样大的体积来存储能量。”

近年来，科学家们重新开始研究葡萄糖燃料电池，将其视为一种潜在的小型能源，可以直接利用人体丰富的葡萄糖来提供能量。.

葡萄糖燃料电池的基本结构由三层组成：上层阳极、中间电解质层和下层阴极。阳极与体液中的葡萄糖发生反应，将糖转化为葡萄糖酸。这种电化学转化会释放出一对质子和一对电子。中间电解质层将质子和电子分离，并将质子导入燃料电池内部，质子与空气结合生成水分子，水分子是一种无害的副产品，随体液排出。同时，分离出的电子则流向外部电路，可用于为电子设备供电。.

研究团队试图通过改进通常由聚合物构成的电解层来优化现​​有材料和设计。然而，聚合物的特性，包括其导电能力，在高温下容易降解，难以在纳米尺寸下保持其特性，且难以进行消毒。研究人员想知道，能否使用陶瓷——一种耐热且天然导电的材料——作为葡萄糖燃料电池的电解质。.

“当你考虑将陶瓷材料用于这类燃料电池时，你会发现它们具有长期稳定性、易于小规模生产以及与硅芯片集成等优势，”鲁普指出。“它们坚固耐用。”.

最大功率

研究人员设计了一种葡萄糖燃料电池，其电解质由氧化铈制成。氧化铈是一种陶瓷材料，具有高离子电导率和机械强度高的优点，因此被广泛用作氢燃料电池的电解质。此外，它还被证明具有生物相容性。.

西蒙斯指出：“铈是癌症研究领域正在积极研究的物质。它与用于牙科植入物的氧化锆类似，具有生物相容性和安全性。”.

研究团队将电解质与铂金阳极和阴极（一种能与葡萄糖快速反应的稳定材料）结合。他们在芯片上制造了150个独立的葡萄糖燃料电池，每个电池厚约400纳米，宽约300微米（大约相当于30根头发的宽度）。这些电池被放置在硅片上，证明该器件可以与常见的半导体材料结合使用。随后，他们在定制的测试台中，通过在每个硅片上流过葡萄糖溶液来测量每个电池产生的电流。.

他们发现许多电池产生的峰值电压约为 80 毫伏。考虑到每个电池的尺寸非常小，这种输出功率密度是目前所有葡萄糖燃料电池设计中最高的。.

西蒙斯说： “我们能够产生足够的电力和电流来为植入式设备供电，这令人兴奋。”

“这是首次利用电陶瓷材料中的质子传导将葡萄糖转化为能量，定义了一种新型电化学方法，”鲁普说。“它拓展了材料的应用范围，从氢燃料电池扩展到令人兴奋的全新葡萄糖转化模式。”.

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本文由麻省理工学院新闻办公室的詹妮弗·楚撰写