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细菌+空气中的水分就能发电!
细菌+空气中的水分就能发电!
2020-03-05
mclkw8
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利用空气中的湿度产生电能的蛋白质纳米线薄膜

一直以来,科学家都希望能从周围的环境中获取可自给自足的清洁能源。一些众所周知的新能源技术,如太阳能、风能等可再生能源都对环境有特定要求,这在一定程度上限制了这些技术的使用范围,也限制了它们持续生产能源的潜力。

最近,马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的一组研究人员研发了一种新的装置,它通过一种由细菌产生的天然蛋白质,凭借空气中的水分,就能成功发电。这项新的技术不受地点、气候等环境因素的限制,即使在室内,甚至是撒哈拉沙漠这样的湿度极低的地区,也能奏效。这对未来的可再生能源、气候变化和医学研究都将产生重大影响。

在近期的《自然》杂志中,研究人员详细介绍了他们是如何在实验室中利用由蛋白质纳米线发明了这样一种“空气发电机”。

寻找电流来源

故事要从一类杆菌属开始说起。15年前,论文的作者之一,微生物学家Derek Lovley和他的同事发现了一种名为地杆菌的菌属,这些细菌能将电子从有机物质中转移到金属类化合物中。自那之后,人们开始了解到,许多细菌可以制造出蛋白质纳米线,将电子传递到它们周围的其他细菌身上或环境中,而这样的电子转移可以形成微小的电流。

论文的另一位主要作者是电机工程师Jun Yao,多年以来,他一直从事用硅纳米线设计电子设备。两年前,Yao的博士生Xiaomeng Liu在研究传感器设备时,发现了一件匪夷所思的事:孤立的纳米线有时会自发地产生电流。起初他们对此感到很费解,但最后他们发现,当把纳米线薄膜夹在两块用金薄片制成的电极之间并且不去管它时,它可以产生至少维持20个小时的电流。

这种电流是怎么来的?他们在进行了一一排查之后发现了答案。

首先可以确定的是,这些电子不是来自金质金属电极,因为当他们将电极替换成碳质材料时,电流仍然出现了,而碳并不是一种现成的电子来源;接着,他们又排除了蛋白质纳米线本身在分解并释放电子的可能性;第三个被排除的想法是光以某种方式触发了化学反应,导致了电子的释放,但结果是即使在黑暗的环境中,蛋白质纳米线中也可以产生电流。

最后,他们将目光锁定在一个不起眼的因素上,那就是空气湿度:当他们把纳米线放在一个湿度很低的环境中时,发现电流显著减小了。

这让他们确认,将这样一个空气发电机装置暴露在有水蒸气的空气中,是产生电流的一个必要条件。

这种空气发电机装置只需一个不到10微米厚的蛋白质纳米线薄膜即可运作,将薄膜置于一片电极上,再让一个更小的只能部分覆盖纳米线薄膜的电极置于薄膜的上方。薄膜会从大气中吸收水蒸气:蛋白质纳米线的导电性,加上蛋白质表面的化学性质,再结合薄膜内部纳米线之间的细孔,为在两个电极之间产生电流创造了条件。他们的研究结果显示,虽然这种装置即使在撒哈拉沙漠那样的干燥环境下也能”顽强“发电,但当空气湿度为45%时,可以收获最好的效果。

目标:大规模系统

这可能是迄今为止,关于蛋白质纳米线的最令人兴奋的应用了,它开启了一项新的无污染、可再生、低成本的获取新能源的可能。在此之前,也曾有其他研究试图使用如石墨烯等材料从空气的水蒸气中获取能源,但那些装置都只能短暂地产生少量电流。而在新的蛋白质纳米线发电装置中,这种发电过程可以持续两个月以上,目前其发电量足以为小型电子设备提供电力。

研究人员希望这项技术可以很快投入商业应用。接下来,他们计划研发出一种小型的空气发电机,可以为健身监测器、智能手表等可穿戴电子设备提供电力,消除这些设备对传统电池的依赖。此外,他们还希望能开发出适用于手机的空气发电机,以解决我们时不时就要给手机充电的困扰。

不过,研究人员的最终目标是制造大规模系统。例如,将这种设备以某种方式融入到装修所用的墙漆中,从而让其为家庭和普通建筑提供电能。研究人员认为,一旦电线生产达到工业规模,那么制造出大型系统将不再是纸上谈兵,这对于可持续能源生产来说将是巨大的喜讯。

为了继续推进生物地杆菌的实际应用能力,Lovley的团队最近还研发了一种新的微生物菌株,这种菌株可以更迅速、更廉价地生产大量蛋白质纳米线。他们将大肠杆菌变成了一个蛋白质纳米线加工厂,有了这种新的工艺,蛋白质纳米线的供应将不再成为研发这些应用过程的障碍。

空气发电机的发现再一次反映跨学科研究合作的力量。微生物学家与电机学家的联手,成功地用从地杆菌属获取的蛋白质纳米线制造出了有用的发电装置。现在,Yao的实验室还正在研发其他几种利用蛋白质纳米线的应用,他说:“新的以蛋白质为基础的电子设备时代才刚刚开始。”

参考来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9.pdfhttps://phys.org/

news/2020-02-green-technology-electricity-thin-air.htmlhttps://www.sciencemag.org/news/2020/

02/electric-bacteria-create-currents-out-thin-and-thick-air

本文转载自公众号“原理”(ID:principle1687)

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