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Ein Papier Akku von Bakterien angetrieben
Aug 31, 2018

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In entlegenen Gebieten der Welt oder in Regionen mit begrenzten Ressourcen sind Alltagsgegenstände wie Steckdosen und Batterien Luxusartikel. In diesen Gebieten fehlt es den Beschäftigten im Gesundheitswesen häufig an Strom, um Diagnosegeräte zu versorgen, und kommerzielle Batterien sind möglicherweise nicht verfügbar oder zu teuer. Es werden neue Stromquellen benötigt, die kostengünstig und tragbar sind. Heute berichten Forscher von einem neuen Batterietyp , der aus Papier besteht und durch Bakterien angetrieben wird .

 

Die Forscher werden ihre Ergebnisse heute auf dem 256. National Meeting & Exposition der American Chemical Society (ACS) vorstellen.


"Papier hat einzigartige Vorteile als Material für Biosensoren", sagt Seokheun (Sean) Choi, Ph.D., der die Arbeit auf der Tagung präsentiert. "Es ist kostengünstig, wegwerfbar, flexibel und hat eine große Oberfläche. Doch anspruchsvolle Sensoren benötigen eine Stromversorgung. Gewerbliche Batterien sind zu verschwenderisch und teuer, und sie können nicht in Papiersubstraten integriert werden. Die beste Lösung ist eine Papier- basierte Bio-Batterie. "

 

Forscher haben früher Einweg-Biosensoren auf Papierbasis entwickelt, mit denen Krankheiten und Gesundheitszustände günstig und bequem diagnostiziert werden können und auch Schadstoffe in der Umwelt nachgewiesen werden können. Viele solcher Geräte verlassen sich auf Farbänderungen, um ein Ergebnis zu melden, aber sie sind oft nicht sehr empfindlich. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, benötigen die Biosensoren ein Netzteil. Choi wollte eine kostengünstige, batteriebetriebene Papierbatterie entwickeln, die problemlos in diese Einweggeräte integriert werden kann.

 

Choi und seine Kollegen von der Staatlichen Universität von New York, Binghamton, fertigten eine Papierbatterie, indem sie dünne Schichten von Metallen und anderen Materialien auf eine Papieroberfläche druckten. Dann legten sie gefriergetrocknete "Exoelektrogene" auf das Papier. Exoelektrogene sind eine spezielle Art von Bakterien, die Elektronen außerhalb ihrer Zellen übertragen können. Die Elektronen, die erzeugt werden, wenn die Bakterien Energie für sich selbst erzeugen, passieren die Zellmembran. Sie können dann Kontakt mit externen Elektroden aufnehmen und die Batterie mit Strom versorgen. Um die Batterie zu aktivieren, fügten die Forscher Wasser oder Speichel hinzu. Innerhalb weniger Minuten belebte die Flüssigkeit die Bakterien wieder, die genug Elektronen produzierten, um eine Leuchtdiode und einen Rechner mit Strom zu versorgen.

 

Die Forscher untersuchten auch, wie Sauerstoff die Leistung ihres Geräts beeinflusst. Sauerstoff, der leicht durch Papier läuft, könnte Elektronen aufnehmen, die von den Bakterien produziert werden, bevor sie die Elektrode erreichen. Das Team fand heraus, dass obwohl Sauerstoff die Energieerzeugung leicht verringerte, der Effekt minimal war. Dies liegt daran, dass die Bakterienzellen fest an den Papierfasern hafteten, wodurch die Elektronen schnell zur Anode verdrängt wurden, bevor Sauerstoff eindringen konnte.

 

Die Papierbatterie, die einmal benutzt und dann weggeworfen werden kann, hat derzeit eine Haltbarkeit von etwa vier Monaten. Choi arbeitet an Bedingungen, um das Überleben und die Leistung der gefriergetrockneten Bakterien zu verbessern und eine längere Haltbarkeit zu ermöglichen. "Die Leistung muss für die meisten praktischen Anwendungen ebenfalls um das 1.000-fache verbessert werden", sagt Choi. Dies könnte durch Stapeln und Verbinden mehrerer Papierbatterien erreicht werden, merkt er an. Choi hat ein Patent für die Batterie beantragt und sucht Industriepartner für die Vermarktung.