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用病毒制备高效、环保、便携的微型电池

已有 1173 次阅读 2021-10-26 11:28 |个人分类:科学普及|系统分类:科普集锦

用病毒制备高效、环保、便携的微型电池

 

在不久前的一篇博文我们应当仇恨还是赞赏病毒?中,曾提到专一感染细菌的病毒--噬菌体也可以作电池电极,从而为人类提供替代能源

本文简介美国MIT麻省理工学院)的科学家们以病毒为模板制备出磷化镍纳米泡沫,可用作锂离子微电池的无添加剂薄膜型阳极,从而制备出高效、环保、便携的微型电池。她们还利用这些病毒来制造生物燃料、燃料电池和具有更好电子传输特性的太阳能电池。

此外,还在研究癌细胞探针的纳米颗粒计算机断层扫描充当造影剂,从而能够检测到其他技术通常忽略的非常小的肿瘤。

充分利用病毒的有益特性进行创新的道路会越走越宽广。


当锂离子通过电解质介质从负极流向正极时,锂离子电池就产生电能。正极通常由锂化合物组成,负极通常是石墨(结晶碳)。

微型电池,就像在电子设备中发现的那样,需要非常小的电极,通常在纳米级。这一要求使得它们很难制造,因为任何用于制造负极的材料在装载锂离子时,通常会膨胀到原来体积的三倍左右,从而阻碍了其在微电池中的应用。过渡金属元素如铜(Cu)、钴(Co)或镍(Ni)是良好的电导体,当它们与磷(P)结合时,可以作为电极中的替代成分。然而,这些所谓的金属磷化物的合成是具有挑战性的,因为它们的一些前体高度易燃和有毒。

但这一切与病毒有什么关系呢?麻省理工学院(MIT)的材料科学家安吉拉·贝尔彻(Angela Belcher)和她的同事展示了一种前所未有的思维方式,他们可以利用病毒为锂离子电池构建带电的正极和负极见参考文献

作者认为,由于M13噬菌体又长又(长约880 nm,直径6.5 nm),可以在组装磷化镍三维纳米结构时用作生物支架。噬菌体是一种只感染细菌对人类无害的病毒M13病毒粒子由2700个螺旋状包裹在DNA基因组上的主要外壳蛋白和病毒两端的4个次要外壳蛋白组成。

该团队M13的主要病毒外壳蛋白氨基酸组成进行了改造,从而增强其与金属磷化物等半导体粒子结合的能力。作者发现,展示负电荷的肽序列谷氨酸-谷氨酸-丙氨酸-谷氨酸(E-E-A-E)的病毒强烈吸引磷化镍分子。展示E-E-A-E肽的突变病毒直接沉积在钛箔titanium foil上,并与稳定作用的固定剂戊二醛glutaraldehyde交联。然后将产生的病毒网暴露在镍磷合金中,使病毒捕获金属并产生各种病毒/金属成分构成的金属化病毒网。化合物的金属部分包括NiP、Ni3P、Ni2P或Ni5P4(含有值分别为1:1、3:1、2:1或5:4化合物)。这些含病毒的磷化镍纳米结构可以直接用作电池中的独立负极。Ni5P4金属化的病毒具有最薄的尺寸,也表现出最高的电流传导能力。

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 图1. 以病毒模板制备磷化镍纳米泡沫nanofoams的合成步骤示意图

I. 交联(Cross-linking), II. 金属化Metallization), III. 热处理Heat treatment

与传统电池相比,这些病毒电池有许多优点。它们更环保,因为它们是由无毒材料制成的。它们的合成所需的设备相对较少,因此生产成本低廉。它们重量轻、柔韧,因此可以织成织物,这使它们适合制作军服。它们的导电性也比传统的锂离子电池高,这使得它们在便携式电子设备、医疗植入物和各种航空航天应用中非常有用。最终,它们甚至可以用来驱动电动汽车。驾驶一辆病毒驱动的汽车该有多酷

贝尔彻的病毒主导的纳米技术构想并不局限于锂离子电池。她还在研究癌细胞探针的纳米颗粒。在这个项目中,病毒DNA被设计成表达特殊的蛋白质,这类蛋白质可同时结合碳纳米管carbon nanotubes和癌细胞产生的蛋白质。由此产生的纳米颗粒被设计成在红外波长发出荧光,使它们在计算机断层扫描中充当造影剂,从而能够检测到其他技术通常忽略的非常小的肿瘤。贝尔彻还利用这些病毒来制造生物燃料、燃料电池和具有更好电子传输特性的太阳能电池。

病毒有许多在自然界和实验室中都很明显的有益特性。贝尔彻的创新方法还仅仅只是利用这些特性改进现有技术或发明新技术的一个例子。这条创新的道路会越走越宽广。 

参考文献:

Records WC, Wei S, Belcher AM. Virus-Templated Nickel Phosphide Nanofoams as Additive-Free, Thin-Film Li-Ion Microbattery Anodes(以病毒为模板的磷化纳米泡沫用作锂离子微电池的无添加剂薄膜型阳极). Small. 2019 Oct;15(44):e1903166. doi: 10.1002/smll.201903166. Epub 2019 Sep 12. PMID: 31513358.

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1 张晓良

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