Nat. Commun. 黑科技：利用自然水蒸发发电

【导读】

随着化石燃料的日渐消耗，寻找可持续、无污染的绿色能源迫在眉睫。利用水自然蒸发发电是其中一种有希望的能量来源。在水-固体界面上，水流的蒸发可以驱动电荷传输，从而实现发电。由于吸附在地球上的约50%的太阳能都在驱动水的蒸发，水蒸发发电具有非常大的潜力。为了实现功率的有效输出，水蒸发发电要求材料具有大表面积，且带有相关的移动表面电荷。目前，水蒸发发电主要通过由纳米材料组装（以增加表面积）并功能化（以引入吸湿性表面基团）的薄膜实现。然而，基于纳米材料的方案成本相对较高且需要经过一系列的加工流程，同时功率密度和稳定性都很低，这些缺点限制了其实际应用。使用生物材料（如具有固有的多孔结构和便于制造的木材）可以降低成本，同时有效地减少与传统无机材料相关的生产废物。然而，能量密度仍然限于nW/cm²的水平，而刚性和体积的形式进一步限制了可扩展的集成和可穿戴的实施。

【成果掠影】

近日，马萨诸塞大学的Yao jun教授和Derek R. Lovley教授（共同通讯作者）等研究者利用基于微生物的柔性生物膜实现了从蒸发的水中长期连续发电，展示了一种低成本、易加工且功率密度和稳定性较高的水蒸发发电方案。利用单个生物膜（40µm厚）内的水蒸发可以连续产生高达1μW/cm²的功率密度电能。同时，通过将生物膜夹在一对网状电极之间，研究者演示了柔性集成供电单元。该供电单元可贴在皮肤表面，从皮肤上的汗水和水分中获取电能，为可穿戴设备持续供电。研究成果以题为“Microbial biofilms for electricity generation from water evaporation and power to wearables”发布在国际著名期刊Nature Communication上。

【核心创新点】

（1）提出利用微生物生物膜构造水蒸发发电单元，不仅降低了成本，避免了复杂的加工工艺，同时获得了优异的发电性能。结构在一个月内维持了稳定的0.45V的电压输出和0.15µA的电流输出；

（2）利用网状电极构造垂直薄膜器件，以提高可扩展电力生产的集成度。同时通过调整网状电极的结构以获得最佳能量输出；

（3）演示了利用皮肤表面的水蒸发为可穿戴设备供电。比较了干燥皮肤和湿润皮肤上设备的供电情况，研究结果显示，即使是不出汗的皮肤也会产生大量的电输出，表明皮肤持续低水平的水分分泌足以驱动这种水电输出。

【图文概览】

1. 结构与性能

图1 G. sulfurreducens生物膜的电学输出：a. 基于G.sulfurreducens菌株CL-1的生物膜片（插图）；b. 使用激光图案化生物膜在PDMS基质（灰色）上构建（i）单个器件和（ii）互连器件阵列的示意图；c. G.sulfurreducens菌株CL-1生物膜的横截面透射电镜；d. 装置短路电流（Isc）在一个月内的连续记录；e. 浮在水面上的集成器件阵列的开路电压（Vo），用于为LCD（插图）供电；© 2022 The Authors

2. 设计集成

图2.使用网状电极的集成生物膜结构：a. 生物膜装置的示意图和实际照片（底部）；b. 放置在水面上的装置的典型开路电压Vo（顶部）和短路电流Isc（底部）；c. 器件的Vo（黑色）和Isc（红色）与网状电极中不同孔隙率的函数关系图；d. 器件的Vo（黑色）和Isc（红色）与网状电极中不同孔隙大小的函数关系，孔隙率固定为0.4；e. 器件不同区域的Vo（黑色）和Isc（红色），网状电极的孔隙率和孔径保持在0.4和100µm；f. 使用电极中的 "扣 "设计（底部示意图）串联的装置（上部插图）测量的Vo；© 2022 The Authors

3. 为可穿戴设备供电

图3. 可穿戴电源：a. 分别放置在去离子水、0.5M NaCl、0.5M KCl和人工海水溶液中生物膜设备的开路电压Vo（灰色）和短路电流Isc（红色）；b. 将生物膜装置贴在皮肤上（顶部），18小时后取出（底部）；c. 贴在出汗的皮肤（顶部）和干燥的皮肤（底部）上生物膜装置的Vo（灰色）和Isc（红色）；d. （左图）连接生物膜设备和可穿戴传感器的示意图，用于可穿戴供电，(右上图）用一个生物膜设备为皮肤可穿戴应变传感器供电的实际照片，（右下图）用三个生物膜设备为电化学葡萄糖传感器供电的实际照片；e. 使用生物膜供电的应变传感器测量手腕的脉搏信号（左）和胸部的呼吸信号（右）；f. 生物膜供电的葡萄糖传感器在葡萄糖浓度（C）分别为0、100、200和300μM的溶液中的安培反应；g. (上图)生物膜供电的葡萄糖传感器在运动中对电流的连续测量，(下图)在餐前(蓝色)和餐后(橙色)收集的测量结果的校准的葡萄糖水平；© 2022 The Authors

4. 基于不同生物膜的设备

图4. 由过滤的生物膜制成的结构：a. 通过过滤微生物溶液得到的生物膜的示意图；b. 分别由G.sulfurreducens、转基因G.sulpurrenducens Aro-5菌株、大肠杆菌和转基因大肠杆菌菌株生物膜制作的设备的平均Vo（灰色）和Isc（红色）；c. 由过滤的大肠杆菌组装的生物膜的横截面TEM图像；d. 组织纸（左）和大肠杆菌浸润的组织纸（右）的扫描电子显微镜图像；e. 用大肠杆菌和大肠杆菌浸润的组织纸制造的装置上测得的平均Vo（灰色）和Isc（红色）；© 2022 The Authors

【成果启示】

水自然蒸发发电是一种具有广阔前景的发电途径。然而，该技术的实际应用需要解决成本高、加工步骤繁杂、供电能量密度第和供电稳定性差等问题。本文提出的基于微生物生物膜的方案有效地解决了上面提到的问题。同时，本文通过演示利用皮肤上的汗水和水分中获取电能为可穿戴设备持续供电，展示了其集成结构广阔的应用潜力。文中结果显示，即使是不出汗的皮肤也会产生大量的电输出，表明皮肤持续低水平的水分分泌足以驱动这种水电输出。因此，基于生物膜片水蒸发发电装置是可穿戴电子设备持续供电的有希望的候选者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6