基于三维纳米复合催化剂和新型反应物分离结构的无酶葡萄糖燃料电池研究

Lithium-ion battery (LIB) is the commonly used micro power source for implantable medical devices. The life of LIB is far lower than that of implantable medical devices. Once the battery is exhausted, additional surgery is required to charge or replace it. Therefore, micro power source becomes a key issue to implantable medical devices owing to their demands of high capacity, limited size and long lifetime. The most direct way to solve this problem is converting biological energy in a body into electric energy. The proposed research will mainly focus on non-enzymatic catalysts and separation of reactants, to explore the mechanism of energy conversion and implement method of non-enzymatic glucose biofuel cells. The first, we will concentrate on investigating the growths and assemblies of three-dimensional nanocomposites to fabricate high-performance non-enzymatic nanocatalysts using by template method and in-situ technique. The electro-catalytic properties of nanocomposites will be studied deeply, to explore the kinetic processes of glucose oxidation reaction. Subsequently, the research will concentrate on exploring the mechanisms of mass transport and designing new separation structures of reactants by three-dimensional two-phase flow model. Finally, the implement method of non-enzymatic glucose biofuel cells will be investigated using by micromachining techniques and their performances will be evaluated by in-vitro and in-vivo test. The research will mainly solve the problems in mechanism, materials and structures of non-enzymatic glucose biofuel cells, which could supply theoretical basis and technical supports in powering implantable medical devices permanently.

锂离子电池是当前植入式医疗设备常用的微能源，但它的寿命很短，一旦电池的电量耗尽，则需要额外的手术来充电或更换电池，因而微能源已成为制约植入式医疗设备发展的决定性因素之一。为解决这一难题，最直接的方案是将生物体内的能量转换为电能，本项目即从体内自身存在的能量形式出发，在无酶催化剂和反应物分离方面进行研究，以探索化学能转换为电能的换能机理和无酶葡萄糖燃料电池的实现方法。首先，利用模板法及原位生长法，研究三维纳米复合材料的生长机理及组装规律，制备高性能无酶催化剂，并研究其对葡萄糖氧化的催化性能；然后，借助多孔介质中三维气液两相流模型，探索反应物的输运机制，设计新型反应物分离结构；最后，利用硅微加工技术，探索无酶葡萄糖燃料电池的实现方法，并评价其在模拟生理环境及动物体内的性能。本项目着重解决无酶葡萄糖燃料电池机理、材料和结构方面的关键科学问题，为植入式医疗设备的“永久”供能提供理论依据和技术支撑。

锂离子电池是目前植入式医疗设备最常用的微能源，但它的寿命很短，通常只有5~7年，远远低于植入式医疗设备自身的寿命。一旦电池的电量耗尽，则需要额外的外科手术来充电或更换电池，这不仅会增加不必要的感染风险，同时增加了医疗本身的成本。可见，高性能、长寿命的微能源是制约植入式医疗设备及系统发展的瓶颈问题。利用生物体自身广泛存在的能量，并将其转换成为电能，为植入式医疗设备的“永久”供能提供了新的思路。.本项目从生物体内自身存在的能源形式出发，在高性能无酶催化剂和反应物分离结构方面进行了深入研究，探索了化学能转换为电能的换能机理和无酶葡萄糖燃料电池的实现方法，项目取得了以下几个方面的成果。.（1）获得了三维纳米复合材料的生长机理和组装规律，探明了影响其生长的外部条件，有效调控三维纳米复合材料的成分、尺寸及形貌，构建出了三维Ni/Au纳米线阵列、PtNi双金属、Co3O4/CNT纳米复合材料、Co3O4纳米颗粒及三维层状Co3O4纳米书等高性能纳米催化剂，获得了其对于葡萄糖的催化氧化机理。.（2）获得了多孔介质中的物质输运机制，建立三维气液两相流模型模拟了包覆式和插指式反应物分离结构中氧气和葡萄糖的分布，获得了反应物分离结构对物质输运及器件性能的影响关系；设计了新型插指式反应物分离结构，优化了其结构参数。.（3）获得三维纳米复合材料与无酶葡萄糖燃料电池结合的工艺方法，研制出无酶葡萄糖燃料电池，实现其在体外模拟生理环境及人体血清、唾液等生理溶液中的性能测试。且通过优化器件的结构和参数，器件在体外测试中的最大输出功率达到1.28 mW/cm2。.本项目中三维纳米复合催化剂、物质输运机制及新型反应物分离结构的研究，对设计新型小尺寸高性能的无酶葡萄糖燃料电池具有重要意义，为植入式医疗设备在人体内的“永久”供能提供新的途径。