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新型太陽能生物電池:外觀如同牆紙一般!


智物創新導讀最近,英國科研人員將活的藍藻細菌和電路印刷到紙上,開發出一種太陽能生物電池和太陽能面板二合一的產品。關鍵字太陽能、生物太陽能電池、生物傳感器背景如今,電子設備正擺脫以往僵硬笨重的形象,呈現出柔性、可摺疊、輕量、生物可降解的新趨勢。然而,能量供應系統...

- 2018年1月26日09時24分
- 【智物創新】

智物創新

導讀

最近,英國科研人員將活的藍藻細菌和電路印刷到紙上,開發出一種太陽能生物電池和太陽能面板二合一的產品。

關鍵字

太陽能、生物太陽能電池、生物傳感器

背景

如今,電子設備正擺脫以往僵硬笨重的形象,呈現出柔性、可摺疊、輕量、生物可降解的新趨勢。然而,能量供應系統作為至關重要的電子設備也在順應著這一新趨勢。

其中,生物燃料電池非常具有代表意義。值得一提的是,筆者曾經介紹過美國賓漢姆頓大學電氣和計算機科學系助理教授 Seokheun Choi 開發的生物電池系統:

像摺紙飛鏢一樣的微生物燃料電池,它可以在幾滴髒水中的細菌上運行。這種電池具有低成本的優勢,將可以為一次性的紙基生物傳感器供電。

(圖片來源: 賓漢姆頓大學)

由細菌提供能量的紙基生物燃料電池,它代表了一種簡單、低成本的供電方式,不僅可以為生物傳感器供電,還可以用於凈化環境,因為微生物可以分解污染物。

(圖片來源:賓漢姆頓大學)

創新

今天,讓我們要介紹的技術與生物燃料電池有點相似,它是一種太陽能生物電池。首先,讓我們把目光投向一種特殊的微生物:藍藻細菌。在地球上,藍藻細菌已經存在了幾十億年,它是一類可以開展光合作用的微生物。藍藻細菌被認為是地球大氣層富氧的主要原因。

最近,一個科研團隊演示了採用藍藻細菌作為油墨,通過噴墨印表機,將精準的圖案列印到導電碳納米管上,這些圖案也可以列印到紙張上。團隊也展示了在印刷過程中存活下來的藍藻細菌,它們可以進行光合作用,因此通過100個小時的時間周期,研究人員將可以採集到少量的電能。

(圖片來源:倫敦帝國理工學院)

通過這種方式設計的生物太陽能面板,尺寸大致與 iPad 相似,可以為簡單的數字時鐘供電,在另外一個實驗中則是一個小型LED燈泡。

技術

太陽能生物電池將研究推進到一種全球科學家正在開發的新型可再生能源技術,也稱為微生物光伏(BPV)。它展示了藍藻細菌和其他藻類使用生物光合作用,將光能轉化為電流,而這種電流使用水作為電子的來源。

(圖片來源:倫敦帝國理工學院)

使用BPV技術,從類似藍藻細菌這樣的微生物中採集能量,其中的優勢之一就是:它們能夠在日光下生產少量的電力,而且即使在黑暗中,它們也能夠通過光線中產生的分子繼續生產電力。

科學家之前在開發BPV時面對過一些限制因素,主要時製造成本高、輸出功率低,壽命短。所有這些缺點讓科學家無法將這項技術的規模擴大至工業水平。

團隊稱,他們的方案使用現成的噴墨印表機構建BPV,展示出這項技術的易擴展性,為更廣泛的應用鋪平了道路。

價值

英國倫敦帝國理工學院、劍橋大學、中央聖馬丁藝術與設計學院的研究人員表示,他們的這項突破性研究進展將帶來由紙張和印刷的光合細菌製成的新型電氣裝置。這些裝置包括:一次性電源,它可以集成到監測糖尿病人的紙基傳感器中;像牆紙一樣的設備,它實際上是監測家裡空氣品質的傳感器。

倫敦帝國理工大學化學工程系的博士,文章的合著者之一 Marin Sawa 表示:

「我們認為這項技術將帶來一系列應用,例如作為環境中的傳感器。讓我們想像一種像牆紙一樣的一次性紙基環境傳感器,它可以監測家裡空氣品質。當它完成工作時,可以被拆掉,扔到花園中進行生物降解,而不會對環境造成任何影響。」

倫敦帝國理工大學生命科學系博士、研究的合著者之一 Andrea Fantuzzi 表示:

「紙基的BPV並不是意味著要取代用於大規模發電的傳統太陽能技術,而是用於構建既可以一次性使用又可以生物降解的電源。它們的低功率輸出意味著它們更加適合需要少而有限的能量的設備和應用,例如環境感知和生物傳感器。」

研究人員表示,BPV可以用於完全由紙製成的新型傳感器,這意味著它們更加便宜,性價比更高,對於資源和環境的影響更小。BPV的另外一個應用示例,就是醫療行業。Andrea Fantuzzi 博士表示:

「紙基的BPV集成了印刷電子和生物傳感器技術,將開創一次性紙基傳感器的時代,這些傳感器可用於監測健康指標例如糖尿病人的血糖水平。一旦測量完成,該設備可以通過環境影響很低的方式處理。更進一步地說,這種方案有望帶來很低的成本效應,這也為它在醫療預算和資源有限的發展中國家應用鋪平了道路。」

未來

目前紙基BPV單元只有手掌般大小,下一步團隊將擴大他們概念驗證的設計擴大至A4紙的規模,以在更大的面積判斷電力輸出。論文合著者之一、劍橋大學生物化學系教授 Christopher Howe 補充說:

「這是非常令人激動的概念驗證。現在的挑戰在於讓面板變得更加強大、持久和健壯。」

參考資料

1http://www3.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_6-11-2017-12-27-41

需要進一步探討和交流的朋友,請聯繫作者微信:JohnZh1984


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