2023年6月5日，美国南加州大学的研究人员在《Energy Storage Materials》上发表题为Electrohydrodynamically printed solid-state Photo-electro protein micro-capacitors的研究论文，报道了使用电流体动力（EHD）3D打印工艺制备出固态、柔性、生物混合光电蛋白微电容器，其在便携式、可穿戴的电化学储能系统领域具有巨大的潜力。
//doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102839
研究简介
便携式和可扩展电子产品快速发展，生产具有极大灵活性和尺寸自由的高性能、小型化储能设备成为新趋势，而3D打印便是满足这些需求的一种新手段。3D打印柔性固态电容器因其灵活性、便携性、低成本、可扩展性、长周期稳定性等优势而被认为是下一代储能系统。本文使用可持续和无毒的光合蛋白复合物来制备固态柔性光电微电容器，作为可在室内照明下操作的柔性电源包。
团队采用电流体动力(EHD)3D打印技术，打印出具有高性能均匀性和操作稳定性的生物杂化光电蛋白微电容器。该器件可以串联或并联，以调制工作电压窗和充放电时间。在10 mV s-1的扫描速率下获得了110 mF g-1的比电容，并且在电流密度为0.063 mA g− 1的情况下，在10,000次充放电循环后保持在初始值的91%。该器件还显示出机械稳定性和坚固性，在1000次弯曲循环后保持93%的初始电容。研究数据表明，这些微型电容器可以为主要暴露于室内光线的应用提供一种经济实用的选择，以作为灵活的能量存储和传输设备。
研究内容解读
本文使用EHD3D打印工艺制备出固态、柔性、生物混合光电蛋白微电容器(MC)，可在低强度照明下操作。微电容器是一种小型化、轻量化、便携的无源电路元件，以静电荷的形式存储电能。它广泛应用于微电子领域，通常由夹在电极之间的介电材料薄膜组成。固态系统的优点包括易于操作、可扩展性、更高的安全性和灵活性、高可靠性和宽工作温度范围的耐受性。在0.002太阳光照下，扫描速率为10 mV s-1时，所制备的生物杂化高分子材料的最佳比电容为110 mF g-1，具有良好的机械灵活性和操作稳定性，同时，电池电压和充放电时间可以通过简单地串联或并联多个设备来定制。这种3D打印的固态器件在柔性、便携式、可穿戴的电化学储能系统领域显示出巨大潜力。
图1 设备制造。
图2 设备描述。
图3 设备优化。
图4 设备性能和外部注入电荷的存储。
图5 设备机械和运行稳定。
研究结论
本文展示了一种全3D打印、固态、柔性光电蛋白微电容器，具体使用了一种天然光合蛋白作为光伏组件，这种蛋白质已经进化到以高量子效率转换低强度太阳能，其结构围绕着光伏模块(RC)和高量子效率的太阳能收集模块(LH1)。通过优化后，3D打印的生物杂化微电容器在扫描速率为10 mV/ s时的比电容达到110 mF/g。该微电容器的输出足以为纳米/微电子器件供电，在功率密度为6.5 mW kg-1时提供5 mWh kg-1的能量密度，在功率密度为40 mW kg-1时提供4.1 mWh kg-1的能量密度。比电容与光合效率成正比，并且取决于蛋白质复合物吸收的光的波长。基于光合作用蛋白质的设备最大的缺点是，它们的性能受到缓慢扩散过程而不是蛋白质吸收光能和分离电荷能力的限制。效率也受到热力学定律的限制，即理论上最高可达到的效率是有限制的。在实际情况下，这些光合细菌并不会利用所有的入射光(由于呼吸、反射、光抑制等)光饱和)，根据太阳总辐射，将整体光合效率降低到3%-6%之间。最重要的是，工作中使用的入射光强度仅为0.002(室内背景光)，这进一步减少了光活性电荷的产生。在这种情况下，可以使用不同的方法来扩大这些微型电容器的输出，不过存在实际限制。团队尝试使用更高浓度的RC-LH1来改善反应通量和光收集，但溶液已经高度浓缩，并且其高度粘稠，很难形成锥形喷射墨水。此外，根据设备的配置，通过增加厚度或浓度来添加更多的蛋白质可能会产生递减的反馈，因为自遮光，增加扩散长度等。因此，增加图案的浓度或厚度并不一定会增加电容，并带来额外的技术挑战。但通过设计优化，这些微电容器的性能仍有很大的进一步优化空间。研究人员发现，金属纳米颗粒、表面等离子体、光子晶体、约翰逊固体反射器、光耦合器等几种光捕获结构在提高宽波长范围内的光吸收和转换效率方面具有很大的潜力，添加合成和/或天然辅助光捕获颜料也是如此。EHD打印设备在操作和机械上都很不错，在10,000次充放电循环后保持91%的初始电容，在1000次弯曲循环后保持93%的初始电容。团队将三个微电容单元串联和并联，以获得高效的电源。研究数据表明，这种3D打印柔性微电容器作为机器人和可穿戴电子设备的柔性储能模块具有广阔的应用前景。此外，该研究为基于生物可持续和环境友好的光合蛋白的固态光电微电容器的开发提供了新的见解。深圳中国九游会科技有限公司一直致力于突破陶瓷3D打印的应用场景，为更多领域提供3D打印服务与支持，团队所研发的DIW直写3D打印机可打印石墨烯等柔性电路材料，DLP光固化3D打印机可打印磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等电极材料，可用于3D打印电池电极的相关研究。 
