当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nature:凭空(气)发电

Nature:凭空(气)发电

只要有空气就能持续发电?这听起来更像是科幻小说的情节。不过,近期Nature 上刊发的马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校Jun Yao教授团队的一篇论文,却实实在在地报道了这样一个器件。


器件的核心材料看起来并不算太复杂:把提取自广泛存在于土壤的一种细菌(硫还原地杆菌,Geobacter sulfurreducens)的蛋白质纳米线分散在水溶液中,滴在玻璃片等基底上,将水蒸发掉,就能得到由蛋白质纳米线交织形成的具有网络结构的薄膜(图1a)。在这个薄膜上下各放上一片金电极(尺寸不同,下面大,上面小,这很关键,后文会解释),形成的器件在空气中竟然能持续输出电能超过20小时。测量它的I-V曲线可以看到,曲线并不过原点,与横纵轴的交点分别代表着它作为一个电池的开路电压(0.5 V)和短路电流(250 nA)。

图1. 蛋白质纳米线发电器件的结构和输出。图片来源:Nature


器件结构不复杂,但事情似乎越来越复杂了。器件核心材料居然不是能源领域热门的钙钛矿、二维材料等等,只是从常见细菌中提取的蛋白质;还有,尽管产生的电能不算多,但能量不会无缘无故产生,这种发电器件的能量源头又在哪里?


其实,该文一作、Yao实验室的研究生Xiaomeng Liu在两年前就已经发现了蛋白质纳米线能自发产生电流的有趣现象,但找到电能来源和工作机理却花费了他们很长时间。[1]


在后续研究中,他们发现:

1)发电现象高度可重复,只要薄膜厚度以及环境湿度相当;

2)在黑暗环境下也能观察到,排除了光伏现象的干扰;

3)改变环境湿度会影响输出(图1d,湿度直接影响输出电压);

4)输出非常持久,说明不是因为测量中出现的充电现象;

5)金电极为惰性电极,自身不会由电化学腐蚀等干扰,且将电极替换为碳电极也能观察到该现象;

6)除去空气中的氧气和氮气没有影响;

7)分析测试表明蛋白质纳米线在发电过程中并未降解,也不存在能诱发电流的杂质。


这些结果指向一种可能性:空气中存在的少量水蒸气或许就是电能的源泉。


此前,科学家们就已经在利用空气中的水来获取能量。例如,曲良体教授等人于2015年就在Advanced Materials 上报道了他们用氧化石墨烯膜实现的湿度向电能的转换 [2],并在之后持续推进这个过程的发电效率。另外,不光从空气中吸水可以产生电能,水蒸发到空气中的过程也可以用来发电,周军教授、郭万林教授、邓少芝教授和陈建教授等人2017年在Nature Nanotechnology 上发表论文 [3],报道在纳米结构的碳材料表面进行水蒸发也能够产生电压,他们借助于廉价的碳黑片层材料,利用水蒸发可以在常温条件下产生近1 V的可持续电压。

图2. 在器件中的湿度梯度。图片来源:Nature


回到这种蛋白质纳米线发电器件,空气湿度产生电能的原因在于,它能在器件中建立起水的浓度梯度。通过分析,50%的空气湿度下,8微米厚的蛋白质纳米线薄膜中,上表面中水的重量分数约为27%,而到下表面水的重量分数仅为3%。这里需要指出,器件中的关键设计是——覆盖在薄膜上的金电极面积必须较小,否则无法产生梯度(如图2d)。这里湿度梯度产生电能的具体原因还不明确,可能的机制是:由于蛋白质纳米线上有大量的羧基,湿度梯度造成薄膜上下的羧基电离程度不同,从而产生质子浓度梯度,由此两个电极的化学势出现差异。

图3. 湿度梯度在薄膜上下产生质子浓度梯度。图片来源:Nature


该器件的一个重要优势在于,输出功率密度比此前类似研究提高了2个数量级。而且,输出电流和电压能够通过增加膜面积和串联多个器件得到放大。作为演示,作者用空气湿度点亮了LED灯、显示器、以及晶体管。

图4. 器件的放大和实用演示。图片来源:Nature


这是不是意味着:以后出门不用带充电宝了?还真有可能。这项研究的另一个亮点是,该器件在非常宽的湿度范围内都能发电,无论是沙漠的干燥空气(湿度约20%)还是亚热带甚至热带的湿润空气(湿度约100%),极大的拓宽了应用场景。当然,该器件最佳工作湿度是40-50%(也是人感觉比较舒服的湿度)。


唯一的麻烦,看起来可能是蛋白质的来源——硫还原地杆菌不太容易大规模培养。这一问题也有研究者尝试使用基因工程的方法来解决,他们使用容易培养的大肠杆菌来生产这种蛋白质纳米线。[4]


期待这些研究(以及更多研究)能以不同的方式缓解能源危机,方便人们的生活。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Power generation from ambient humidity using protein nanowires

Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley & Jun Yao

Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9


参考资料

1. Electric bacteria create currents out of thin- and thick-air

https://www.sciencemag.org/news/2020/02/electric-bacteria-create-currents-out-thin-and-thick-air

2. Direct Power Generation from a Graphene Oxide Film under Moisture. Adv. Mater., 2015, 27, 4351-4357, DOI: 10.1002/adma.201501867

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201501867

3. Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials. Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 317–321, DOI: 10.1038/nnano.2016.300

https://www.nature.com/articles/nnano.2016.300

4. An Escherichia coli Chassis for Production of Electrically Conductive Protein Nanowires. bioRxiv, 2019, DOI: 10.1101/856302

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/856302v1


(本文由荷塘月供稿)


如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

相关文章
Kjy4chem发布于2020-02-26  0
很有意思
回复
阿拉丁
分享您的投稿习惯
经济学SSCI期刊
英语语言编辑翻译加编辑新
加速出版服务新
1212购书送好礼
Springer旗下全新催化方向高质新刊
动物学生物学
系统生物学合成生物学
专注于基础生命科学与临床研究的交叉领域
传播分子、细胞和发育生物学领域的重大发现
聚焦分子细胞和生物体生物学
图书出版流程
快速找到合适的投稿机会
热点论文一站获取
定位全球科研英才
中国图象图形学学会合作刊
大连
德国
多伦多
西安科技
多伦多
中科院
郑大
淮北
上海中医
澳门
ACS材料视界
down
wechat
bug