通訊作者姚軍說：“我們實際上是憑空氣來發電，產生24/7的清潔能源。這是迄今為止蛋白質納米線最令人驚訝和激動人心的應用?！?/p>
隨著環境污染的日趨加重，從環境中獲取清潔能源的技術得到了更多人的關注，已知的技術如：太陽能電池、熱電裝置和機械發電機，然而它們必須在特定的環境中工作，因此限制了持續的能源獲取。
由于大氣中的濕度無處不在，人們對開發基于濕度的能源收集技術產生了興趣。在一種策略中，液體水源附近的水分梯度驅動微流控或納米流控水在薄膜中的傳輸，以促使電荷傳輸用于電輸出。然而，這種方法僅限于有液態水源的環境，可能難以擴大規模。在另一種策略中，在一個具有濕度的環境中，具有異質垂直羥基分布的碳材料上能夠產生一個垂直梯度的電離移動電荷（例如，H+）。
但到目前為止，由于缺乏持續的轉換機制，現有的基于濕度的能源收集技術只能在環境中產生間歇性的、短暫的電力收集，環境濕度驅動的設備在電壓崩潰之前，功率輸出只能維持不到50s的0.9 μA cm-2的電流，相當于30 μW cm-3的功率密度。通過自充電的方式重新建立約0.2 V或者20 V cm-1的電壓需要的時間超過100s。因此，充電時間大大超過了電源輸出的持續時間。
近日，美國麻省大學Jun Yao教授展示了一種微生物地桿菌生產的納米尺度的蛋白質納米線制成的薄膜發電裝置，能夠在自充電之前至少產生20小時的連續電流，成功實現對LED和液晶顯示屏供電。相關論文以題為“Power generation from ambient humidityusing protein nanowires”于2020年2月17日發表在Nature上。
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9
在本文的研究中，作者使用蛋白質納米線制成的薄膜裝置構成了一個發電機，能夠在濕度環境中產生連續的電力，且在自充電之前至少產生20小時的連續電流，大小為17 mA cm-2。與以往依賴環境、大氣濕度的能量收集技術相比，產生的功率密度大約為4 mW cm-3，提高了兩個數量級以上。
如圖1所示，該裝置由一層薄的（約7 μm）蛋白質納米線薄膜組成，沉積在面積約為25 mm2噴涂在玻璃的金電極上。其中，蛋白質納米線是導電的，并且是從微生物中剪切出來的。在納米線膜的頂部放置一個較小的金電極（約1 mm2）。作者認為當膜被暴露在空氣中存在濕度時，這種能量產生的驅動力是在膜中形成了一個自我維持的水分梯度。本文的研究結果表明，與其他可持續方法相比，制備的薄膜裝置不受地點或環境條件限制的持續能源收集戰略是可行的。
圖1. 納米線裝置和電輸出。（a）由硫還原地桿菌產生納米線TEM圖像及裝置示意圖；（b）在濕度約為50%的照明和黑暗環境中，典型的I-V曲線；（c）在環境相對濕度約為50%中，納米線裝置的I（紅色）和Vo（黑色）的演化；（d）記錄的Vo及相對濕度隨時間的變化。
圖2. 納米線薄膜的水分梯度和電輸出。（a）在環境相對濕度約為50%的情況下，根據膜厚度（D）繪制納米線薄膜中的WHO2；（b）納米線薄膜中的垂直水分梯度的示意圖；（c）WHO2和輸出電壓（Vo）與d的關系；（d）由頂部和底部表面都密封的對稱納米線裝置產生的剩余Vo約為-0.05 V；（e）設備被放置在靠近水面的地方，300s后Vo的改變；（f）納米線裝置中的頂部電極，其頂部表面的一半被玻璃片覆蓋測量的殘余Vo約0.8 V。
圖3. 電輸出的機制。（a）多孔材料中蒸汽壓力（Pv）的降低和靠近空氣界面的蒸汽壓力梯度的存在；（b）當頂部的界面被密封時，在相對濕度為45%的環境中納米線設備的連續電流輸出被破壞（黑色箭頭），灰色區域表示中斷持續存在，直到密封被移除，電流開始恢復到其原始值（藍色箭頭）；（c）納米線設備在不同相對濕度（RH）下的電流輸出。
圖4. 納米線設備供電。（a）在環境相對濕度約為50%的情況下Vo（黑色）和Isc（紅色）與設備尺寸的關系曲線，其中膜厚約為7μm；（b）在環境相對濕度約為50%的情況下，Vo（黑色）和Isc（紅色）與膜厚度的關系曲線，其膜尺寸約為1mm2；（c）分別串聯和并聯五個納米線設備的Vo（黑色）和Isc（紅色），與單個納米線設備的Vo（灰色）和Isc（紫色）相比較；（d）納米線設備為LED（左）或LCD面板（右）供電；（e）由納米線設備驅動的Ge/Si納米線晶體管柵極電壓（Vgs）與源漏電流（Ids）之間的關系。
本文提出的細菌產生的納米線薄膜裝置發電的關鍵在于：納米線之間的孔隙有利于水分的吸收，當頂部吸水之后，水分從上向下移動，最終形成水分梯度，水中的氫離子和氧離子形成電荷差，最終保持電子的移動。同時，本文中的設備可以縮小尺寸，并且可以串聯或并聯幾個設備，線性地增加輸出電壓或電流，即使設備的尺寸小到1 mm2左右，Vo也能保持在0.5V左右。當將17個設備串聯在一起，可以獲得10V的高電壓。連接的設備可以為LED或液晶顯示器供電，即使單個設備也可以驅動半導體納米線晶體管。
來源：材料科學與工程公眾號，作者：Caspar。
