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）