Haut

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14649 (2022) Citer cet article

1476 Accès

4 citations

2 Altmétrique

Détails des métriques

Dans cette étude, les performances d’une biopile à combustible sérigraphiée sur papier avec des électrodes en carbone mésoporeux MgO (MgOC) ont été améliorées en deux étapes. Tout d’abord, une petite quantité de carboxyméthylcellulose (CMC) a été ajoutée à l’encre MgOC. Ensuite, la cathode a été modifiée avec de la bilirubine avant d’immobiliser la bilirubine oxydase (BOD). Le CMC a augmenté l’accessibilité des mésopores du MgOC, et par la suite, les performances de la bioanode et de la biocathode. La CMC a probablement également augmenté la stabilité des électrodes. La pré-modification avec la bilirubine a amélioré l’orientation de la DBO, ce qui a facilité le transfert direct d’électrons. Avec ces deux étapes, un potentiel de circuit ouvert de 0,65 V, une densité de courant maximale de 1,94 mA cm-2 et une densité de puissance maximale de 465 μW cm-2 ont été obtenus avec la lactate oxydase comme enzyme bioanode et le lactate comme carburant. Il s’agit de l’une des performances les plus élevées enregistrées pour une biopile.

Les matériaux carbonés mésoporeux sont l’un des matériaux les plus attrayants pour la fabrication de dispositifs bioélectrochimiques tels que les biocapteurs et les biopiles à combustible1,2,3. Ces matériaux combinent une conductivité élevée, une surface spécifique élevée et une excellente biocompatibilité. Ils sont excellents pour les électrodes et les matrices d'immobilisation d'enzymes. Yang et coll. ont signalé une augmentation de la température et de la stabilité du pH lorsque la glucose oxydase était immobilisée sur du carbone mésoporeux ordonné4. Parmi les différents types de matériaux carbonés mésoporeux figurent les carbones à structure d'oxyde. La taille des pores des carbones à structure d'oxyde peut être contrôlée en contrôlant la taille du modèle d'oxyde5,6,7,8,9. L’un de ces carbones à structure d’oxyde est le carbone à structure de MgO (MgOC), qui est disponible dans le commerce5,6. L'effet de la taille des pores du MgOC sur l'électrochimie directe a été étudié pour la D-fructose déshydrogénase10 et la bilirubine oxydase (BOD)11,12. De plus, les biopiles (BFC) fabriquées avec du tissu de carbone modifié à l'encre MgOC avaient une puissance élevée de 2 mW cm-213 et 4,3 mW cm-214 avec la glucose déshydrogénase (GDH) et la lactate oxydase (LOx) comme enzymes, respectivement.

Une encre MgOC constitue également la première étape de la fabrication d’une électrode MgOC sérigraphiée. Le matériau carboné conducteur des encres de sérigraphie doit être dispersé uniformément sous la contrainte de cisaillement appliquée lors de l’impression. Une dispersion inégale peut conduire à une électrode partiellement fragile (lorsque trop peu de liant est présent) et/ou à une résistance partiellement accrue (lorsque trop de liant est présent). Une dispersion plus élevée peut également conduire à un degré plus élevé de porosité, car l’agglutination devient moins probable. De petites quantités d'additifs peuvent améliorer la dispersion de l'encre sans interférer avec la conductivité, et donc la qualité et la reproductibilité de l'électrode imprimée. Cependant, bien que des matériaux biocompatibles et durables, tels que la carboxyméthylcellulose (CMC), aient été utilisés comme dispersants pour les matériaux carbonés15, les dispersants n'ont pas été envisagés pour les encres MgOC destinées à la sérigraphie.

Les électrodes sérigraphiées sont prometteuses pour la fabrication de biocapteurs portables, notamment pour les applications de soins de santé16,17,18. Les biocapteurs portables ont reçu une attention considérable ces dernières années en raison de la tendance à une gestion des soins de santé plus personnalisée et en temps réel des patients, ainsi qu'à une surveillance plus étroite et plus basée sur les données de la condition physique des professionnels de haute performance, tels que les athlètes. et les pompiers. De même, les BFC portables font également l’objet d’une attention considérable, à la fois en tant que récupérateurs d’énergie et capteurs auto-alimentés19,20,21,22. En tant que récupérateurs d'énergie, les BFC portables collectent l'énergie du glucose ou du lactate contenu dans les fluides corporels pour alimenter de petits appareils. Les BFC portables en tant que capteurs auto-alimentés utilisent le fait que l'énergie collectée à partir du glucose ou du lactate dépend à tout moment de la concentration du carburant respectif. Les capteurs auto-alimentés ne nécessitent pas de source d'énergie pour le dispositif de détection. Quelques exemples de biocapteurs portables et de BFC sont intégrés dans la plaquette nasale des lunettes23, des microfluidiques fabriqués à partir d'un matériau souple24,25, fabriqués sur un film mince et flexible25,26, de type tatouage27, à base de textile28,29 et à base de papier30,31. ,32.