用空氣來(lái)發(fā)電？是的，你沒(méi)有聽(tīng)錯(cuò)，美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校助理教授姚軍領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)一種土桿菌屬微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)納米線，可以利用空氣的濕度來(lái)發(fā)電，這種空氣發(fā)電機(jī)（Air-gen）即使在極度干燥的沙漠中也可以工作，而且不分晝夜，有望為人類帶來(lái)革命性的清潔能源。

姚軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最初嘗試制造一種檢測(cè)空氣濕度的傳感器，但在2020年的一次試驗(yàn)中，一位學(xué)生無(wú)意中拔掉了電源，卻發(fā)現(xiàn)設(shè)備自己產(chǎn)生了電信號(hào)，他們很快意識(shí)到這個(gè)設(shè)備正在利用空氣中的濕度產(chǎn)生小而連續(xù)的電流，從而促成了空氣發(fā)電機(jī)的發(fā)明。

(資料圖)

那么這種空氣發(fā)電機(jī)的工作原理是什么呢？我們首先需要了解一種叫土桿菌屬的微生物。

土桿菌屬（Geobacter）是一類能夠在厭氧條件下，利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進(jìn)行呼吸的微生物，它們廣泛分布在土壤、沉積物和地下水中。土桿菌屬的微生物具有很高的環(huán)境和能源價(jià)值，比如可以參與有機(jī)物的降解、重金屬的還原、污染物的降解等過(guò)程，也可以在微生物燃料電池中產(chǎn)生電能。

土桿菌屬可以產(chǎn)生一種具有電導(dǎo)性的蛋白質(zhì)納米線，這是一種由蛋白質(zhì)分子組裝而成的具有納米級(jí)尺寸的線狀結(jié)構(gòu)，具有很高的比表面積、機(jī)械強(qiáng)度和功能性，主要由兩種類型的蛋白質(zhì)組成，分別是：

電導(dǎo)性纖毛（e-pili）：這是一種類似于細(xì)菌纖毛（pili）的結(jié)構(gòu)，但是具有很高的電導(dǎo)率，可以將細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的電子傳遞到細(xì)胞外部的電子受體上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的胞外電子傳輸（EET）。電導(dǎo)性纖毛主要由一種叫做PilA的蛋白質(zhì)單體組成，這種蛋白質(zhì)含有豐富的芳香族氨基酸，可以形成穩(wěn)定的π-π堆積，從而提供一個(gè)連續(xù)的電子傳輸通道。

多血紅素型c型細(xì)胞色素（multi-heme c-type cytochromes）：這是一種含有多個(gè)血紅素基團(tuán)（heme groups）的c型細(xì)胞色素（c-type cytochromes），可以在血紅素基團(tuán)之間進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)短距離的胞外電子傳輸。多血紅素型c型細(xì)胞色素主要包括OmcS和OmcZ兩種類型，它們可以形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米的絲狀結(jié)構(gòu)，覆蓋在細(xì)胞表面或延伸到細(xì)胞外部。

土桿菌屬的蛋白質(zhì)納米線可以協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)不同尺度和場(chǎng)景下的胞外電子傳輸，從而使土桿菌屬的微生物能夠在厭氧條件下利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進(jìn)行呼吸，或者在微生物燃料電池中產(chǎn)生電能。

姚軍教授的團(tuán)隊(duì)用直徑小于100納米的蛋白質(zhì)納米線制成一種納米孔薄膜材料，將其安裝上電極后，就形成一個(gè)簡(jiǎn)單的空氣發(fā)電機(jī)。當(dāng)空氣中水分子的濃度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起納米孔薄膜上水分子的吸附和解吸，導(dǎo)致其產(chǎn)生一個(gè)交變的電壓差，從而在兩個(gè)電極之間形成電流，通過(guò)外部電路收集后就可以利用了。

這種發(fā)電方式和暴風(fēng)雨云的閃電放電遵循同樣的物理原理，只是是在微觀尺度上進(jìn)行的。

簡(jiǎn)單：這種技術(shù)只需要一層納米孔薄膜和兩個(gè)電極，就可以制造出一個(gè)發(fā)電機(jī)，無(wú)需復(fù)雜的組件和工藝。

廉價(jià)：這種技術(shù)使用了一種由微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)納米線作為納米孔薄膜，這種材料的成本很低，而且可以大量制造。

可再生：這種技術(shù)利用了空氣中的濕度變化來(lái)產(chǎn)生電流，這是一種無(wú)限可再生的能源，不會(huì)消耗任何資源，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染。

可持續(xù)：這種技術(shù)可以在任何環(huán)境中持續(xù)地產(chǎn)生清潔能源，無(wú)論是白天還是黑夜，無(wú)論是晴天還是雨天，無(wú)論是高溫還是低溫，即使在沙漠里也可以發(fā)電。

空氣發(fā)電機(jī)通過(guò)微小的納米線發(fā)電，但由于無(wú)法持續(xù)產(chǎn)生高強(qiáng)度的電流，材料也依賴于生物合成的納米線，阻止了進(jìn)一步建造規(guī)?；虼蠊β拾l(fā)電機(jī)的努力。

經(jīng)過(guò)3年的努力后，姚軍教授的團(tuán)隊(duì)已取得重大突破，找到了從空氣濕度中連續(xù)收集能量的通用空氣發(fā)電效應(yīng)，可以利用多種材料，包括無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和生物材料來(lái)發(fā)電，只要孔徑小于100納米。

不過(guò)該裝置仍然處于微觀尺度，只能實(shí)現(xiàn)0.5伏的持續(xù)電壓和每平方厘米17微安的電流密度，甚至還無(wú)法為一個(gè)家庭供電。但姚軍教授認(rèn)為，未來(lái)Air-gen設(shè)備將提供千瓦級(jí)的功率，有望融入我們的日常生活中，利用空氣中隱藏的能量來(lái)為家庭、工廠和城市供電。

總部位于里斯本的Catcher項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)是一個(gè)由歐盟資助的跨學(xué)科合作項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)基于納米線材料的新型能源收集器。他們估計(jì)，如果將20,000個(gè)這種設(shè)備堆疊起來(lái)，每天就可以產(chǎn)生10千瓦時(shí)的電力，提供一個(gè)家庭的平均用電量。也許有一天，我們可以把Air-gen設(shè)備集成到建筑材料中，或者用納米線材料來(lái)粉刷墻壁，實(shí)現(xiàn)整個(gè)家庭的自給自足。

可以想象，隨著這種技術(shù)的不斷成熟和成本降低，未來(lái)我們將可能僅僅利用周圍的空氣，就能生產(chǎn)出足夠的電力，從而擺脫化石燃料，邁向更清潔、更綠色的未來(lái)。

這項(xiàng)研究由姚軍教授及其團(tuán)隊(duì)劉曉萌、高紅艷、孫璐（均為音譯）等人完成，題為“Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity”，于2023年5月5日發(fā)表在《先進(jìn)材料》 (Advanced Materials)上。

論文：https://doi.org/10.1002/adma.202300748

關(guān)鍵詞