又是一篇《Nature》,憑空發電——潮溼空氣給手機充電可能不再是夢想
高分子科學前沿
電是我們賴以生存的基礎，沒有了電我們就會不快樂（請自行腦補沒有手機電腦WiFi的日子）。而且，由於人們對氣候變暖等環境問題的擔憂，目前來講，獲取電能的方式正在逐漸從傳統的火力發電向清潔能源轉變，例如太陽能發電、核能發電、風力發電等等，但是這些技術都有特殊的環境要求，所以這些發電廠只能建在特定的位置。那麼有沒有一種更加簡單方便的方式，能夠讓我們源源不斷的獲取電能呢？
2020年2月6日，香港城市大學機械工程系王鑽開教授，美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作，提出一種三極管型水滴發電機（droplet-based electricity generator, DEG），可以高效的將水滴落下時的動能轉化為電能。4滴體積為100微升的水滴 從15釐米的高度釋放，可以瞬間點亮400盞LED小燈泡。相關論文以“A droplet-based electricity generator with highinstantaneous power density”為題，發表在國際頂尖期刊Nature上。（《Nature》 ：神奇！“一滴水”竟能瞬間點亮100盞燈|中國科學家發明“三極管型水滴發電機”）
4滴水瞬間點亮400盞LED小燈泡
近日，科學家們將目光聚焦到了我們身邊一種無處不在的物質上面——潮溼的空氣。《自然》雜誌在線發表了一篇題目為“Power generation from ambient humidity using protein nanowires”的文章，通訊作者為馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的Jun Yao教授。他們製造了一種由蛋白質納米線薄膜製成的發電機，在充電之前至少會產生持續20小時的電流，與之前依賴於環境大氣溼度的能量採集技術相比，功率密度提高了兩個數量級以上（約為4 mW·cm−3）。該裝置的結構如圖1a所示。沉積在玻璃上的金電極上面有一層薄薄的由蛋白質納米線組成的薄膜（厚約7 µm），一個較小的金電極（面積約1 mm2）放在納米線膜的頂部。蛋白質納米線是導電的，從微生物G.sulfurreducens中獲得。從圖1c中可以看出，在相對溼度為50%的空氣中，將該裝置與2 MΩ的電阻串聯，可以穩定放電20 h（5-25h），斷開電路5h內又可以重新自我充電。該裝置
在20%（沙漠溼度）和100%的空氣溼度條件下仍然可以產生足夠電壓，並且兩個月性質依然穩定。
圖1 發電裝置和電流輸出
為什麼它會產生電呢？
看到這裡有人會問為什麼它會產生電呢？關鍵在於由吸附差異引起的水分梯度，而薄膜中納米尺寸的孔道有助於水分梯度的形成。我們都知道一般情況下，在多孔介質中，由於毛細管力的作用，蒸氣壓會降低，並且這種影響在孔徑較小的情況下更為明顯。事實上，對於水蒸氣來說，只有當孔徑達到納米級時才能觀察到明顯的效果。穩態時，在空氣-材料界面處一定存在蒸氣壓力梯度，對於薄的納米線薄膜（小於7μm），整個厚度都在此界面蒸氣壓力梯度範圍內，而較厚的薄膜則延伸到梯度區域之外（如圖3a），所以薄膜會使水分梯度更明顯，這也是為什麼裝置使用薄膜的原因。
此外，空氣中的水分子由電離物種組成，或者當吸附在納米線表面時發生電離，電離團簇（例如H(H2O)n+/HO(H2O)n−）向納米線提供電荷（H+/e−），在水分梯度的驅動下形成閉環電流，界面上水分子的動態吸附-解吸附過程提供了連續的電荷輸入，周圍環境為這種持續的水分子交換提供了一個巨大的“蓄水池”，以產生持續的電力輸出。
可以想象，如果今後這種不用電的發電裝置能夠大規模應用，將會對氣候、能源等領域產生積極而深遠的影響。
圖2 裝置的溼度梯度和電流輸出
圖3 電流輸出機理
圖4 電能獲取
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請指正！
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