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環(huán)球快報:美國發(fā)明“空氣發(fā)電機(jī)”,已取得重大突破,或帶來革命性清潔能源

2023-07-04 13:18:11 徐德文科學(xué)頻道

用空氣來發(fā)電?是的,你沒有聽錯,美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校助理教授姚軍領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),通過一種土桿菌屬微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)納米線,可以利用空氣的濕度來發(fā)電,這種空氣發(fā)電機(jī)(Air-gen)即使在極度干燥的沙漠中也可以工作,而且不分晝夜,有望為人類帶來革命性的清潔能源。

一次偶然發(fā)現(xiàn)

姚軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最初嘗試制造一種檢測空氣濕度的傳感器,但在2020年的一次試驗(yàn)中,一位學(xué)生無意中拔掉了電源,卻發(fā)現(xiàn)設(shè)備自己產(chǎn)生了電信號,他們很快意識到這個設(shè)備正在利用空氣中的濕度產(chǎn)生小而連續(xù)的電流,從而促成了空氣發(fā)電機(jī)的發(fā)明。


(資料圖)

那么這種空氣發(fā)電機(jī)的工作原理是什么呢?我們首先需要了解一種叫土桿菌屬的微生物。

土桿菌屬的蛋白質(zhì)納米線

土桿菌屬(Geobacter)是一類能夠在厭氧條件下,利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進(jìn)行呼吸的微生物,它們廣泛分布在土壤、沉積物和地下水中。土桿菌屬的微生物具有很高的環(huán)境和能源價值,比如可以參與有機(jī)物的降解、重金屬的還原、污染物的降解等過程,也可以在微生物燃料電池中產(chǎn)生電能。

土桿菌屬可以產(chǎn)生一種具有電導(dǎo)性的蛋白質(zhì)納米線,這是一種由蛋白質(zhì)分子組裝而成的具有納米級尺寸的線狀結(jié)構(gòu),具有很高的比表面積、機(jī)械強(qiáng)度和功能性,主要由兩種類型的蛋白質(zhì)組成,分別是:

電導(dǎo)性纖毛(e-pili):這是一種類似于細(xì)菌纖毛(pili)的結(jié)構(gòu),但是具有很高的電導(dǎo)率,可以將細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的電子傳遞到細(xì)胞外部的電子受體上,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的胞外電子傳輸(EET)。電導(dǎo)性纖毛主要由一種叫做PilA的蛋白質(zhì)單體組成,這種蛋白質(zhì)含有豐富的芳香族氨基酸,可以形成穩(wěn)定的π-π堆積,從而提供一個連續(xù)的電子傳輸通道。

多血紅素型c型細(xì)胞色素(multi-heme c-type cytochromes):這是一種含有多個血紅素基團(tuán)(heme groups)的c型細(xì)胞色素(c-type cytochromes),可以在血紅素基團(tuán)之間進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)短距離的胞外電子傳輸。多血紅素型c型細(xì)胞色素主要包括OmcS和OmcZ兩種類型,它們可以形成長達(dá)數(shù)微米的絲狀結(jié)構(gòu),覆蓋在細(xì)胞表面或延伸到細(xì)胞外部。

土桿菌屬的蛋白質(zhì)納米線可以協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)不同尺度和場景下的胞外電子傳輸,從而使土桿菌屬的微生物能夠在厭氧條件下利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進(jìn)行呼吸,或者在微生物燃料電池中產(chǎn)生電能。

空氣發(fā)電機(jī)的原理

姚軍教授的團(tuán)隊(duì)用直徑小于100納米的蛋白質(zhì)納米線制成一種納米孔薄膜材料,將其安裝上電極后,就形成一個簡單的空氣發(fā)電機(jī)。當(dāng)空氣中水分子的濃度發(fā)生變化時,就會引起納米孔薄膜上水分子的吸附和解吸,導(dǎo)致其產(chǎn)生一個交變的電壓差,從而在兩個電極之間形成電流,通過外部電路收集后就可以利用了。

這種發(fā)電方式和暴風(fēng)雨云的閃電放電遵循同樣的物理原理,只是是在微觀尺度上進(jìn)行的。

空氣發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢

簡單:這種技術(shù)只需要一層納米孔薄膜和兩個電極,就可以制造出一個發(fā)電機(jī),無需復(fù)雜的組件和工藝。

廉價:這種技術(shù)使用了一種由微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)納米線作為納米孔薄膜,這種材料的成本很低,而且可以大量制造。

可再生:這種技術(shù)利用了空氣中的濕度變化來產(chǎn)生電流,這是一種無限可再生的能源,不會消耗任何資源,也不會產(chǎn)生任何污染。

可持續(xù):這種技術(shù)可以在任何環(huán)境中持續(xù)地產(chǎn)生清潔能源,無論是白天還是黑夜,無論是晴天還是雨天,無論是高溫還是低溫,即使在沙漠里也可以發(fā)電。

空氣發(fā)電機(jī)面臨的挑戰(zhàn)和問題

空氣發(fā)電機(jī)通過微小的納米線發(fā)電,但由于無法持續(xù)產(chǎn)生高強(qiáng)度的電流,材料也依賴于生物合成的納米線,阻止了進(jìn)一步建造規(guī)?;虼蠊β拾l(fā)電機(jī)的努力。

經(jīng)過3年的努力后,姚軍教授的團(tuán)隊(duì)已取得重大突破,找到了從空氣濕度中連續(xù)收集能量的通用空氣發(fā)電效應(yīng),可以利用多種材料,包括無機(jī)材料、有機(jī)材料和生物材料來發(fā)電,只要孔徑小于100納米。

不過該裝置仍然處于微觀尺度,只能實(shí)現(xiàn)0.5伏的持續(xù)電壓和每平方厘米17微安的電流密度,甚至還無法為一個家庭供電。但姚軍教授認(rèn)為,未來Air-gen設(shè)備將提供千瓦級的功率,有望融入我們的日常生活中,利用空氣中隱藏的能量來為家庭、工廠和城市供電。

總部位于里斯本的Catcher項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)是一個由歐盟資助的跨學(xué)科合作項(xiàng)目,旨在開發(fā)基于納米線材料的新型能源收集器。他們估計,如果將20,000個這種設(shè)備堆疊起來,每天就可以產(chǎn)生10千瓦時的電力,提供一個家庭的平均用電量。也許有一天,我們可以把Air-gen設(shè)備集成到建筑材料中,或者用納米線材料來粉刷墻壁,實(shí)現(xiàn)整個家庭的自給自足。

可以想象,隨著這種技術(shù)的不斷成熟和成本降低,未來我們將可能僅僅利用周圍的空氣,就能生產(chǎn)出足夠的電力,從而擺脫化石燃料,邁向更清潔、更綠色的未來。

這項(xiàng)研究由姚軍教授及其團(tuán)隊(duì)劉曉萌、高紅艷、孫璐(均為音譯)等人完成,題為“Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity”,于2023年5月5日發(fā)表在《先進(jìn)材料》 (Advanced Materials)上。

論文:https://doi.org/10.1002/adma.202300748

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