新兴的可穿戴自供电设备可以从生物体汗液中收集能量，为构建生物相容性自供电电子器件带来了新的曙光。然而，汗液基生物燃料电池面临输出电压低、功率密度低以及酶成本高且易失活等问题。例如，汗液激发金属空气电池动力学过程缓慢，并且在阴极表面持续产生碱性氢氧根离子，从而导致功率密度低以及碱中毒。

近期，北京大学邵元龙团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“An Energy-autonomous Wearable Fabric Powered by High-power Density Sweat-activated Batteries for Health Monitoring”的研究成果。该工作以碳纳米管/聚苯胺纤维为阴极，锌线为阳极，构筑了汗液激发自供电电池，可克服碱性产物产生，并具有高电压（1.2 V）和高功率密度（2.49 mW/cm²），与纤维传感织物及电路板集成，能够构建集能量供应、生理信号检测与反馈的一体化集成系统。

该研究利用单壁碳纳米管（SWCNTs）界面诱导聚苯胺（PANI）分子链取向伸展，通过湿法纺丝制备高结晶PANI/ SWCNTs纤维。以该纤维为阴极，锌为阳极构筑的汗液激发电池，发生快速固-液两相4e⁻转移反应，与传统碳纤维阴极相比，功率密度提高2个数量级。同时，将其与PANI/SWCNTs纤维基电化学传感器集成，能够实现汗液中pH、葡萄糖及K⁺浓度的可视化实时监测（图1）。

图1 自供电生物传感系统的设计理念

在湿法纺丝过程中，流体剪切作用力会诱导纺丝液中SWCNT和PANI沿流体轴向取向排列。同时，SWCNTs与PANI分子链间的π-π、氢键等相互作用可以构筑界面间相聚合物层，进一步诱导PANI分子链与SWCNTs间界面取向，进一步提高PANI结晶度。此外，SWCNT在PANI分子链间起界面桥接作用，增强纤维电学（195 S/cm）和力学性能（374 MPa），如图2所示。

图2 PANI/SWCNTs纤维的连续制备、结构表征及性能

以PANI/SWCNTs_2‰和Zn线分别为阴、阳极芯层，亲水棉线为壳层构筑纤维电池，在10 μL NaCl条件下，1 s内即可激发电池，电压高达1.2 V，输出电压高达1.07 V。在电化学反应过程中，PANI阴极由ES态还原为LEB态，发生4e⁻转移反应，克服O₂在阴极界面还原产生OH⁻，电池体系发生快速固-液两相反应。即使在20 mmol/L NaCl电解液中，功率密度依然高达1.79 mW/cm²（图3）。

图3 PANI/SWCNTs2‰||Zn电池在NaCl中的电化学反应机制和电化学性能

将PANI纤维表面功能化后构筑pH、葡萄糖以及K+生物传感器，灵敏度分别为（62.1 ± 1.5）mV/pH、（4.2 ± 0.03）nA μmol/L以及（41.9 ± 0.7）mV/dec，可与目前已报道的汗液传感电极相媲美。即使在pH微变化环境中，PANI/SWCNTs2‰纤维依然具有优异的响应性及稳定性，有望实现高灵敏监测人体汗液，如图4所示。

图4 基于PANI/SWCNTs2‰纤维的生物传感性能

将PANI/SWCNTs||Zn自供电电池进行4×8串并联后编织织物，并与纤维传感器及打印电路板集成，可实时监测人体步行及跑步过程中汗液的pH、葡萄糖及K⁺浓度，有望为未来自供电人体健康监测、柔性可穿戴提供新思路（图5）。

图5 用于汗液监测的可集成自供电生物传感器系统

综上所述，PANI/SWCNTs||Zn自供电电池具有高电压和高功率密度。PANI/SWCNTs基生物传感器具有高灵敏度、高可逆性与稳定性。二者的有效集成，为汗液监测提供了有效策略，在日常健康监测和临床应用方面具有广泛的应用前景。

原文信息：Xiaoling Tong, Tianjiao Hua, Miaoyi Xu, Dongzi Yang, Gang Xiao, Shuo Li, Xiaohui Cao, Yuanlong Shao*, An energy-autonomous wearable fabric powered by high-power density sweat-activated batteries for health monitoring, Adv. Fiber Mater., 2024.

https://doi.org/10.1007/s42765-024-00484-8