EO

Ultradunne brandstofcel gebruikt lichaamseigen suikers om elektriciteit op te wekken

16 mei 2022 om 14:37 uur

Ingenieurs hebben een glucose-energiebron ontwikkeld die miniatuurimplantaten en sensoren kan voeden.


Kan glucose de medische implantaten van morgen van stroom voorzien? Ingenieurs van het MIT en de Technische Universiteit van München denken van wel. Ze hebben een nieuw soort glucose-brandstofcel ontworpen die glucose direct omzet in elektriciteit.

 

Het apparaat is kleiner dan andere voorgestelde glucosebrandstofcellen, met een dikte van slechts 400 nanometer. De suikerhoudende krachtbron genereert ongeveer 43 microwatt per vierkante centimeter elektriciteit en bereikt daarmee de hoogste vermogensdichtheid van alle glucosebrandstofcellen tot nu toe onder omgevingsomstandigheden.

 

Het apparaat is veerkrachtig en bestand tegen temperaturen tot 600 graden Celsius. Indien opgenomen in een medisch implantaat, zou de brandstofcel het hoge temperatuur sterilisatieproces dus overleven dat vereist is voor alle implanteerbare apparaten.

 

Het hart bestaat uit keramiek, dat zijn elektrochemische eigenschappen behoudt, zelfs bij hoge temperaturen en miniatuurschalen. De onderzoekers stellen zich voor dat het nieuwe ontwerp kan worden gemaakt in ultradunne films of coatings en rond implantaten kan worden gewikkeld om elektronica passief aan te drijven, met behulp van de overvloedige glucosetoevoer van het lichaam.

 

"Glucose is overal in het lichaam, en het idee is om deze gemakkelijk beschikbare energie te oogsten en te gebruiken om implanteerbare apparaten van stroom te voorzien", zegt Philipp Simons, die het ontwerp ontwikkelde als onderdeel van zijn proefschrift bij het MIT's Department of Materials Science and Engineering ( DMSE). "In ons werk laten we een nieuwe elektrochemie van glucose-brandstofcellen zien."

 

"In plaats van een batterij te gebruiken, die 90 procent van het volume van een implantaat in beslag kan nemen, zou je een apparaat met een dunne film kunnen maken, en je zou een stroombron hebben zonder volumetrische voetafdruk", zegt Jennifer Rupp, scriptiebegeleider van Simons en universitair hoofddocent vastestofelektrolytchemie aan de Technische Universiteit München in Duitsland.

 

Simons en zijn collega's beschrijven hun ontwerp in het tijdschrift Advanced Materials.

 

Een 'harde' scheiding

De glucose-brandstofcel, voor het eerst geïntroduceerd in de jaren zestig, toonde toen al potentieel voor het omzetten van de chemische energie van glucose in elektrische energie. Maar glucosebrandstofcellen waren destijds gebaseerd op zachte polymeren en werden snel overschaduwd door lithiumjodidebatterijen, die de standaardstroombron zouden worden voor medische implantaten, met name de pacemaker.

 

Batterijen hebben echter een limiet aan hoe klein ze kunnen worden gemaakt, omdat hun ontwerp de fysieke capaciteit vereist om energie op te slaan.

 

"Brandstofcellen zetten energie direct om in plaats van deze op te slaan in een apparaat, dus je hebt niet al dat volume nodig dat nodig is om energie op te slaan in een batterij", zegt Rupp.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers opnieuw gekeken naar glucose-brandstofcellen als potentieel kleinere energiebronnen, rechtstreeks gevoed door de overvloedige glucose van het lichaam.

 

Het basisontwerp van een glucosebrandstofcel bestaat uit drie lagen: een bovenste anode, een middelste elektrolyt en een onderste kathode. De anode reageert met glucose in lichaamsvloeistoffen en zet de suiker om in gluconzuur. Bij deze elektrochemische omzetting komen een paar protonen en een paar elektronen vrij. De middelste elektrolyt scheidt de protonen van de elektronen en leidt de protonen door de brandstofcel, waar ze zich combineren met lucht om watermoleculen te vormen - een onschadelijk bijproduct dat met de lichaamsvloeistof wegstroomt. Ondertussen stromen de geïsoleerde elektronen naar een extern circuit, waar ze kunnen worden gebruikt om een ​​elektronisch apparaat van stroom te voorzien.

 

Het team probeerde bestaande materialen en ontwerpen te verbeteren door de elektrolytlaag, die vaak van polymeren is gemaakt, aan te passen. Maar polymeereigenschappen, samen met hun vermogen om protonen te geleiden, worden gemakkelijk afgebroken bij hoge temperaturen, zijn moeilijk te behouden wanneer ze worden verkleind tot de afmeting van nanometers, en zijn moeilijk te steriliseren. De onderzoekers vroegen zich af of van keramiek een elektrolyt voor glucosebrandstofcellen kan worden gemaakt.

 

"Als je denkt aan keramiek voor zo'n glucosebrandstofcel, hebben ze het voordeel van stabiliteit op lange termijn, kleine schaalbaarheid en integratie van siliciumchips", merkt Rupp op. "Ze zijn hard en robuust."

 

Piekvermogen

De onderzoekers ontwierpen een glucosebrandstofcel met een elektrolyt gemaakt van ceria, een keramisch materiaal dat een hoge ionengeleiding heeft, mechanisch robuust is en als zodanig veel wordt gebruikt als elektrolyt in waterstofbrandstofcellen. Het is ook aangetoond dat het biocompatibel is.

 

"Ceria wordt actief bestudeerd in de kankeronderzoeksgemeenschap", merkt Simons op. "Het is ook vergelijkbaar met zirkonia, dat wordt gebruikt in tandimplantaten, en is biocompatibel en veilig."

 

Het team heeft de elektrolyt ingeklemd met een anode en kathode gemaakt van platina, een stabiel materiaal dat gemakkelijk reageert met glucose. Ze fabriceerden 150 individuele glucose-brandstofcellen op een chip, elk ongeveer 400 nanometer dun en ongeveer 300 micrometer breed. Ze vormden een patroon van de cellen op siliciumwafers, wat aantoont dat de apparaten kunnen worden gekoppeld aan een gewoon halfgeleidermateriaal. Vervolgens maten ze de stroom die door elke cel werd geproduceerd terwijl ze een oplossing van glucose over elke wafel stroomden in een op maat gemaakt teststation.

 

Ze ontdekten dat veel cellen een piekspanning van ongeveer 80 millivolt produceerden. Gezien de kleine afmetingen van elke cel, is deze output de hoogste vermogensdichtheid van elk bestaand glucosebrandstofcelontwerp.

 

"Het is opwindend dat we in staat zijn om stroom en stroom te trekken die voldoende is om implanteerbare apparaten van stroom te voorzien", zegt Simons.

 

"Het is de eerste keer dat protongeleiding in elektrokeramische materialen kan worden gebruikt voor glucose-naar-stroomconversie, wat een nieuw type elektrochemie definieert", zegt Rupp. "Het breidt de materiële use-cases uit van waterstofbrandstofcellen naar nieuwe, opwindende glucose-conversiemodi."

 

De onderzoekers "hebben een nieuwe weg geopend naar miniatuurstroombronnen voor geïmplanteerde sensoren en misschien andere functies", zegt Truls Norby, een professor in de chemie aan de Universiteit van Oslo in Noorwegen, die niet aan het werk heeft bijgedragen. "De gebruikte keramiek is niet-toxisch, goedkoop en niet in de laatste plaats inert, zowel voor de omstandigheden in het lichaam als voor de omstandigheden van sterilisatie voorafgaand aan implantatie. Het concept en de demonstratie tot nu toe zijn inderdaad veelbelovend."

 

Gerelateerd nieuws

3D-printmethode produceert in één stap werkende robots

3D-printmethode produceert in één stap werkende robots (video)

Een team van UCLA (VS) kan alle mechanische en elektronische systemen die nodig zijn om een ​​robot te bedienen in één keer vervaardigen door een nieuw type 3D-printproces voor gemanipuleerde actieve (meta…

30 miljoen euro voor demonstratieprojecten groene waterstof

30 miljoen euro voor demonstratieprojecten groene waterstof

Vanaf 21 juni is de regeling Demonstratie Energie- en Klimaatinnovatie (DEI+) open met een nieuw thema: Waterstof en Groene Chemie. Hiervoor is €30 miljoen beschikbaar. De regeling is open tot 10 januari 2023. Wie het…

ING: industrie kan productiviteit ondanks personeelstekorten opvoeren door digitalisering

ING: industrie kan productiviteit ondanks personeelstekorten opvoeren door digitalisering

Structurele personeelstekorten stellen de technologische industrie voor grote uitdagingen, stelt ING: alles moet wijken om de toch al hoge productiviteit verder op te voeren. Het optimaal inzetten van digitale…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Tevema
Tevema

Leverancier van technische standaardveren en normdelen, leverbaar uit voorraad.

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

30 augustus 2022, Utrecht

Technishow + Esef

TechniShow is ingedeeld in verschillende sectoren waar productietechnieken, fases en toebehoren van het...

21 september 2022

Design to Manufacturing (voorheen Prototyping MNE)

Netwerkbeurs en competentieplatform voor wie betrokken is in slimme maak- en ontwerprocessen.

27 september 2022, Utrecht

WoTS

World of Technology & Science bedient bezoekers uit industrie, laboratoria, zorg en wetenschap.

Meer agendapunten »