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マイクロ流体燃料電池のための紙上の均一で再現性のある黒鉛電極を実現するための自動鉛筆電極形成プラットフォーム
Automated pencil electrode formation platform to realize uniform and reproducible graphite electrodes on paper for microfluidic fuel cells.
PMID: 32669600 PMCID: PMC7363794. DOI: 10.1038/s41598-020-68579-x.
抄録
紙を用いたマイクロ流体デバイス用黒鉛筆記電極は、電気化学的特性、コスト効率、使いやすさなどの点で注目を集めています。しかし、黒鉛の蒸着の不均一性や加圧など、手作業での作製が課題となっており、普及には至っていません。本研究では、コンパクトで安価な自動黒鉛電極作製のための自動黒鉛鉛筆ストローク装置の設計・開発を行い、作製時間の短縮と人の介入による均一性の向上を実現しました。この装置を用いて複数のストロークを作成するために、グラフテック社のプロッタのモーションプラットフォームを使用しました。このような安価な黒鉛電極（1米ドル未満）は、拡散剤として作用する多孔質であることが観察されています。自動化された黒鉛電極は、ギ酸、酸素、硫酸がそれぞれ燃料、酸化剤、電解質として作用するマイクロ流動紙燃料電池（MPFC）の性能を研究するために使用されました。この構成から、0.3Vの安定なOCPを100ストロークで使用した場合の最大電流密度と電力密度は、それぞれ1,305.5μAcmと135.5μWcmであることが測定された。本研究では、黒鉛電極を作製するための自動鉛筆ストローク装置の開発を列挙し、多数の小型化された紙ベースのアプリケーションで利用できる可能性を示した。
Graphite pencil stroked electrodes for paper-based Microfluidic devices are gaining immense attention due to their electrochemical properties, cost efficiency, and ease-of-use. However, their widespread use has been hindered by the challenges associated with their manual fabrication such as non-uniformity in graphite deposition, applied pressure, etc. This work presents the design and development of an automated graphite pencil stroking device for graphite electrode fabrication with high efficiency through a compact, inexpensive and automatic process, with reduced fabrication time and human intervention leading to more uniformity. The motion platform of Graphtec plotter was used to create multiple strokes with the help of the proposed device. Such inexpensive graphite electrodes (less than the US $1) have been observed to be porous in nature, acting as diffusion agents. The automated graphite electrodes were used to study the performance of microfluidic paper fuel cells (MPFCs) with formic acid, oxygen, and sulphuric acid acting as fuel, oxidising agent and electrolyte respectively. From this configuration, the maximum current density and power density were measured to be 1,305.5 µA cm and 135.5 µW cm, respectively at 0.3 V stable OCP at 100 strokes. Overall, the study enumerates the development of an automated pencil stroke device for fabricating graphite electrodes, which can potentially be harnessed in numerous miniaturized paper based applications.