又是一篇《Nature》,凭空发电——潮湿空气给手机充电可能不再是梦想
高分子科学前沿
电是我们赖以生存的基础，没有了电我们就会不快乐（请自行脑补没有手机电脑WiFi的日子）。而且，由于人们对气候变暖等环境问题的担忧，目前来讲，获取电能的方式正在逐渐从传统的火力发电向清洁能源转变，例如太阳能发电、核能发电、风力发电等等，但是这些技术都有特殊的环境要求，所以这些发电厂只能建在特定的位置。那么有没有一种更加简单方便的方式，能够让我们源源不断的获取电能呢？
2020年2月6日，香港城市大学机械工程系王钻开教授，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作，提出一种三极管型水滴发电机（droplet-based electricity generator, DEG），可以高效的将水滴落下时的动能转化为电能。4滴体积为100微升的水滴 从15厘米的高度释放，可以瞬间点亮400盏LED小灯泡。相关论文以“A droplet-based electricity generator with highinstantaneous power density”为题，发表在国际顶尖期刊Nature上。（《Nature》 ：神奇！“一滴水”竟能瞬间点亮100盏灯|中国科学家发明“三极管型水滴发电机”）
4滴水瞬间点亮400盏LED小灯泡
近日，科学家们将目光聚焦到了我们身边一种无处不在的物质上面——潮湿的空气。《自然》杂志在线发表了一篇题目为“Power generation from ambient humidity using protein nanowires”的文章，通讯作者为马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的Jun Yao教授。他们制造了一种由蛋白质纳米线薄膜制成的发电机，在充电之前至少会产生持续20小时的电流，与之前依赖于环境大气湿度的能量采集技术相比，功率密度提高了两个数量级以上（约为4 mW·cm−3）。该装置的结构如图1a所示。沉积在玻璃上的金电极上面有一层薄薄的由蛋白质纳米线组成的薄膜（厚约7 µm），一个较小的金电极（面积约1 mm2）放在纳米线膜的顶部。蛋白质纳米线是导电的，从微生物G.sulfurreducens中获得。从图1c中可以看出，在相对湿度为50%的空气中，将该装置与2 MΩ的电阻串联，可以稳定放电20 h（5-25h），断开电路5h内又可以重新自我充电。该装置
在20%（沙漠湿度）和100%的空气湿度条件下仍然可以产生足够电压，并且两个月性质依然稳定。
图1 发电装置和电流输出
为什么它会产生电呢？
看到这里有人会问为什么它会产生电呢？关键在于由吸附差异引起的水分梯度，而薄膜中纳米尺寸的孔道有助于水分梯度的形成。我们都知道一般情况下，在多孔介质中，由于毛细管力的作用，蒸气压会降低，并且这种影响在孔径较小的情况下更为明显。事实上，对于水蒸气来说，只有当孔径达到纳米级时才能观察到明显的效果。稳态时，在空气-材料界面处一定存在蒸气压力梯度，对于薄的纳米线薄膜（小于7μm），整个厚度都在此界面蒸气压力梯度范围内，而较厚的薄膜则延伸到梯度区域之外（如图3a），所以薄膜会使水分梯度更明显，这也是为什么装置使用薄膜的原因。
此外，空气中的水分子由电离物种组成，或者当吸附在纳米线表面时发生电离，电离团簇（例如H(H2O)n+/HO(H2O)n−）向纳米线提供电荷（H+/e−），在水分梯度的驱动下形成闭环电流，界面上水分子的动态吸附-解吸附过程提供了连续的电荷输入，周围环境为这种持续的水分子交换提供了一个巨大的“蓄水池”，以产生持续的电力输出。
可以想象，如果今后这种不用电的发电装置能够大规模应用，将会对气候、能源等领域产生积极而深远的影响。
图2 装置的湿度梯度和电流输出
图3 电流输出机理
图4 电能获取
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9
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