纸基生物电池介绍

几乎每隔几个月就会有一款新的手机、笔记本电脑或平板电脑上市，想要拿到它的人们在街角排起长队。许多类似苹果这样的企业通过不断推出新的、稍微先进的电子产品取得了巨大的商业成就，但这些电子产品短的使用期限对环境产生了许多不利影响。

现代电子设备中装满了电路板、各种金属和塑料。其中一些材料是有毒的，一些材料则会分解出有毒物质。目前全球各国都在努力推动电子废物的回收利用，回收可重复使用的材料，并妥善处置其余的废物。但大多数设备最终都会成为垃圾填埋场中的电子垃圾。

新的发现让人们有机会制造出可生物降解的电子产品，而不是向不断增高的垃圾堆上添加更多的垃圾。这就是我还有其他研究人员探索纸基电子学，即所谓的“纸电子学”这一新兴领域的原因。它可以创造出柔性的，可折叠的，可持续的，对环境友好的，成本低廉的新型电子材料。

为了实现真正的环保，纸质电子学不能使用由金属和苛性碱制成的传统电池来储存和释放电力。最近，化学家同事奥莫文米·萨迪克(OmowunmiSadik)和同事开发了一种可回收、可生物降解的纸电池，它的可靠性非常高，可以在实验室外实际使用（先进的可持续系统，“绿色生物电池：混合纸-聚合物-微生物燃料电池”）。这种电池成功的关键是使用了合适的微生物。

一种基于纸和细菌的可折叠、可生物降解的电池在电子领域创造了一个新机遇。

柔性生物电池

他们开发的这种柔性电池由唾液等提供动力(先进材料技术，“新的纸技术、可降解的生物电池：激活接种在纸张上的微生物获得电能”)。人们试图为纸质电子产品提供动力时，尝试用纸张制造电池就具有重要意义。幸运的是，纸是一种很好的潜在电池材料：它是柔性的，并且是一种很容易吸收和释放液体的绝缘体，这使得它成为安放电子元件的良好平台。研究人员添加了聚酰胺酸、聚苯四氢和对苯二胺等聚合物以改善纸的电学特性。

然后，研究人员使用细菌代替传统电池中的金属和酸，实现在电池中储存能量。这种电池被商业化的时候，会使用对人类和环境都是安全的细菌来减少对环境的污染。

细菌附着在粗糙和多孔的纸上，通过分解植物材料或废水等所有可用的有机物质来产生的能量。目前，研究人员正在对原材料进行预处理，但原材料也可以直接取自自然环境。这一过程中的化学反应会产生电子。通常，这些电子在细菌反应中会与氧气结合，但研究人员已经制作出限制氧气的电池，并使用了一个新的电极，最终研究人员可以捕捉到电子的流动，并利用它来驱动设备。

研究人员担心氧气会进入纸张，阻断细菌之间的电子流动，从而降低电池的效率。研究人员发现，尽管这种情况确实存在，但它的影响微乎其微。这是因为众多的细菌细胞紧密地附着在纸纤维上，它们形成的多层生物膜保护了内部化学反应不受氧气的影响。

研究人员还想要制作一种可以生物降解的电池。电池中的细菌一旦释放能量，就能将纸张和聚合物分解成无害的成分。这种电池在水中不用任何特殊的设备或其他微生物来帮助就能很容易被降解。

这种聚合物纸基结构是柔性的，并且重量轻、成本低。这种柔性材料还允许电池像普通的纸一样折叠，可以极大地提高电池的能量密度。

纸基生物电池：可折叠、可生物降解，为开发新一代电子产品打开新大门

一组折叠式纸基电池可以为纸基电子装置供电。

承诺和机遇

纸电子学在资源有限的偏远地区特别有用，因为是由细菌提供动力，所以即使是在最极端的条件下，它们也能分解有机物质产生电子提供电能。他们也不需要一个结构完善的电网。此外，尽管纸电池设计为一次性电池，但它们的材料是可回收的，可以使用再生纸制造出新电池。

纸基生物电池对未来的电子设备来说具有革命性意义。它们的制造是相当简单的，使用传统的生产工艺如滚印和丝网印刷等，就可以实现聚合物和细菌与纸张的混合（RSCAdvances，“聚合物热电模块丝网印刷纸”）。

其他材料也可以添加到纸电池中，比如金属、半导体、绝缘体和纳米粒子。这些材料可以为纸基设备添加更好的性能和更多的功能，为开发下一代电子产品打开新的大门。