Advanced Materials：基于先进材料和微流控输运系统设计的可穿戴汗液能量收集储存装置

第一作者：关首捷

通讯作者：杨扬*，廖强*

单位：重庆大学

微型传感器等其他微电子技术的快速发展为可穿戴电源的研究开辟了新前景。柔性超级电容器-生物燃料电池（SC-BFC）由BFC能量收集模块和SC能量储存模块组成，是一种绿色环保的能量收集-储存混合设备。该设备使用BFC模块从佩戴者的汗水中收集生化能量，并将其存储在SC模块中以备后续使用。现有SC-BFC设备的SC的电极和BFC的酶载体采用不同的材料，使制备的成本和难度大大增加。并且，现有的可穿戴SC-BFC缺乏有效的汗液管理和电极保护措施，使设备的运行稳定性和寿命大大降低。本工作制备了一个多功能电极，并设计了可穿戴能量收集-存储（超级电容器-生物燃料电池）微流控系统作为利用人体生物能量的装置，证明了可穿戴汗液能量收集-存储混合微流控系统的广阔发展前景。

近日，来自重庆大学能源与动力工程学院的杨扬副教授与廖强教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Multifunctional MOF-derived Au, Co-doped porous Carbon Electrode for Wearable Sweat Energy Harvesting-storage Hybrid System”的研究文章。该研究文章制备一个多功能电极，并设计了可穿戴能量收集-存储（超级电容器-生物燃料电池）微流控系统作为利用人体生物能量的装置（图1）。

本工作在柔性碳布上构建了高比表面积和高导电性的Au、Co共掺杂多孔碳纳米片阵列，用于SC-BFC设备（图2）。由于双金属掺杂的协同作用，该电极用作对称SC的电极具有较高的电容性能，可以实现储能。该电极用作BFC的酶纳米载体，它为酶提供了较高的活性位点利用率和良好的催化微环境，可以实现对汗液中生化能量的转化和收集。与所报道的文献相比，其电化学性能明显优异。此外，他们通过电化学表征和密度泛函理论计算深入研究了该材料用于SC-BFC的工作机理。

本工作设计了多通道微流体系统用于泵送和储存自然汗液，以保持能量收集-存储系统中生物燃料的持续供应。该系统的工作过程为：生物燃料电池模块从汗液中的乳酸获取电能，对称超级电容器模块将生物电能储存并以供后续利用。另外，本工作建立了一个数值仿真模型验证了微流控系统在不同柔性工况下、以及贫汗/富汗工况下的正常运行（图3）。该系统在体上测试中具有优异的机械耐久性，单个系统可自充电至0.8 V，能量和功率值分别为7.2 mJ和80.3 μW，证明了可穿戴汗液能量收集-存储混合微流控系统的广阔发展前景。

Multifunctional MOF-Derived Au, Co-Doped Porous Carbon Electrode for a Wearable Sweat Energy Harvesting–Storage Hybrid System.

杨扬 简介：副教授，博导；主持承担了国家自然科学基金优秀青年、面上、青年基金项目，国家重点研发子课题等；参与国家重大项目3项，围绕微型燃料电池领域，专注于研究微尺度流动与能质传递问题。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等发表论文36篇，国家发明专利20项， H-index 25，研究成果被“麻省理工科技评论”、科技日报等报道。目前担任军委科技委XX能源组、陆军XX新能源领域论证专家，担任《DeCarbon》学术编委，《储能与节能（英文）》、《工程科学学报》青年编委，《Energies》客座主编。国家级青年人才计划入选者（2023年），江苏省太湖人才计划（2022年），陕西省青年人才托举计划（2018年）。求学期间荣获重庆市优秀博士论文（2018年），中国工程热物理学会吴仲华优秀研究生奖（2016年）。

廖强 教授 简介：教授，博士生导师，能源与动力工程学院院长，低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室主任。长期从事传热传质、多相流、微尺度传输、新能源及可再生能源利用、微生物能源转化、节能减排等领域研究工作。作为负责人主持国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目和重大国际合作项目等国家级和省部级项目30余项。为全国首批黄大年式教师团队负责人，国家级人才计划入选者，中国工程热物理学会理事、中国高等教育学会理事、高校工程热物理研究会副理事长、中国工程热物理学会传热传质学分会副主任委员、APEC先进生物氢能技术研究中心执委、热科学与工程亚洲联盟科学委员会委员、ASME传热分会Track 18主席。先后担任国际学术期刊《Energy》副主编和主题编辑、《Science Bulletin》副主编、《Applied Thermal Engineering》编委、《Int. J. of Hydrogen Energy》和《Int. J. of Green Energy》客座编辑，以及《工程热物理学报》等6部国内学术期刊编委。发表国际学术期刊论文300余篇，Scopus检索引用9000余次，主（参）著国际学术专著4部，授权美国和中国发明专利70项，获教育部自然科学一等奖、重庆市自然科学二等奖、国家能源科技进步二等奖等5项。

重庆大学工程热物理研究所成立于1982年，包括强化传热传质实验室、 微尺度传输现象实验室、燃料电池及传递现象研究室、生物能源环境技术及传递过程实验室。1986年研究所获工程热物理专业博士学位授予权，1996年被评为省重点学科，2007年获工程热物理国家重点学科。所在的重庆大学动力工程学院现有动力工程及工程热物理一级学科博士授权点、重庆市动力工程及工程热物理重点学科、工程热物理博士后流动站、低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室、热工重庆市重点实验室、为教育部“985工程”和“211工程”重点建设学科。

研究所研究团队现拥有教授9、副教授7名；其中，“长江学者奖励计划”特聘教授1名，国家杰出青年科学基金获得者3名、长江学者奖励计划青年学者1名、国家优秀青年科学基金获得者3名。近10年来承担了包括国家自然科学基金重点项目在内的国家自然科学基金项目20项，国家重点研发计划项目2项，“973”项目课题1项，“863”项目课题1项，其他国家级和省部级项目20余项。研究所荣获了国家自然科学基金委创新研究群体（2020年）、科技部创新人才推进计划重点领域创新团队（2018年）、首批全国高校黄大年式教师团队（2017年）等。主要研究方向包括：界面现象与相变换热、微尺度传输机理与特性、光微流体多相流传热传质、微生物能源转化及反应器工程、燃料电池与传输现象及性能强化、强化传热传质及节能技术、高温含尘废气和高温熔渣余热回收技术与机理等。

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