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（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。

姚軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊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)電機的發(fā)明。

(資料圖)

那么這種空氣發(fā)電機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（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、機械強度和功能性，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）：這是一種類似于細菌纖毛（pili）的結(jié)構(gòu)，但是具有很高的電導(dǎo)率，可以將細胞內(nèi)部產(chǎn)生的電子傳遞到細胞外部的電子受體上，從而實現(xiàn)遠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型細胞色素（multi-heme c-type cytochromes）：這是一種含有多個血紅素基團（heme groups）的c型細胞色素（c-type cytochromes），可以在血紅素基團之間進行電子轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)短距離的胞外電子傳輸。多血紅素型c型細胞色素主要包括OmcS和OmcZ兩種類型，它們可以形成長達數(shù)微米的絲狀結(jié)構(gòu)，覆蓋在細胞表面或延伸到細胞外部。

土桿菌屬的蛋白質(zhì)納米線可以協(xié)同工作，實現(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行呼吸，或者在微生物燃料電池中產(chǎn)生電能。

姚軍教授的團隊用直徑小于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。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行的。

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，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)電機通過微小的納米線發(fā)電，但由于無法持續(xù)產(chǎn)生高強度的電流，材料也依賴于生物合成的納米線，阻止了進一步建造規(guī)模化或大功率發(fā)電機的努力。

經(jīng)過3年的努力后，姚軍教授的團隊已取得重大突破，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，包括無機材料、有機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項目團隊是一個由歐盟資助的跨學(xué)科合作項目，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。

這項研究由姚軍教授及其團隊劉曉萌、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《先進材料》 (Advanced Materials)上。

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

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