Nat. Commun. 黑科技：利用自然水蒸發發電

【導讀】

隨著化石燃料的日漸消耗，尋找可持續、無污染的綠色能源迫在眉睫。利用水自然蒸發發電是其中一種有希望的能量來源。在水-固體界面上，水流的蒸發可以驅動電荷傳輸，從而實現發電。由于吸附在地球上的約50%的太陽能都在驅動水的蒸發，水蒸發發電具有非常大的潛力。為了實現功率的有效輸出，水蒸發發電要求材料具有大表面積，且帶有相關的移動表面電荷。目前，水蒸發發電主要通過由納米材料組裝（以增加表面積）并功能化（以引入吸濕性表面基團）的薄膜實現。然而，基于納米材料的方案成本相對較高且需要經過一系列的加工流程，同時功率密度和穩定性都很低，這些缺點限制了其實際應用。使用生物材料（如具有固有的多孔結構和便于制造的木材）可以降低成本，同時有效地減少與傳統無機材料相關的生產廢物。然而，能量密度仍然限于nW/cm²的水平，而剛性和體積的形式進一步限制了可擴展的集成和可穿戴的實施。

【成果掠影】

近日，馬薩諸塞大學的Yao jun教授和Derek R. Lovley教授（共同通訊作者）等研究者利用基于微生物的柔性生物膜實現了從蒸發的水中長期連續發電，展示了一種低成本、易加工且功率密度和穩定性較高的水蒸發發電方案。利用單個生物膜（40μm厚）內的水蒸發可以連續產生高達1μW/cm²的功率密度電能。同時，通過將生物膜夾在一對網狀電極之間，研究者演示了柔性集成供電單元。該供電單元可貼在皮膚表面，從皮膚上的汗水和水分中獲取電能，為可穿戴設備持續供電。研究成果以題為“Microbial biofilms for electricity generation from water evaporation and power to wearables”發布在國際著名期刊Nature Communication上。

【核心創新點】

（1）提出利用微生物生物膜構造水蒸發發電單元，不僅降低了成本，避免了復雜的加工工藝，同時獲得了優異的發電性能。結構在一個月內維持了穩定的0.45V的電壓輸出和0.15μA的電流輸出；

（2）利用網狀電極構造垂直薄膜器件，以提高可擴展電力生產的集成度。同時通過調整網狀電極的結構以獲得最佳能量輸出；

（3）演示了利用皮膚表面的水蒸發為可穿戴設備供電。比較了干燥皮膚和濕潤皮膚上設備的供電情況，研究結果顯示，即使是不出汗的皮膚也會產生大量的電輸出，表明皮膚持續低水平的水分分泌足以驅動這種水電輸出。

【圖文概覽】

1. 結構與性能

圖1 G. sulfurreducens生物膜的電學輸出：a. 基于G.sulfurreducens菌株CL-1的生物膜片（插圖）；b. 使用激光圖案化生物膜在PDMS基質（灰色）上構建（i）單個器件和（ii）互連器件陣列的示意圖；c. G.sulfurreducens菌株CL-1生物膜的橫截面透射電鏡；d. 裝置短路電流（Isc）在一個月內的連續記錄；e. 浮在水面上的集成器件陣列的開路電壓（Vo），用于為LCD（插圖）供電；? 2022 The Authors

2. 設計集成

圖2.使用網狀電極的集成生物膜結構：a. 生物膜裝置的示意圖和實際照片（底部）；b. 放置在水面上的裝置的典型開路電壓Vo（頂部）和短路電流Isc（底部）；c. 器件的Vo（黑色）和Isc（紅色）與網狀電極中不同孔隙率的函數關系圖；d. 器件的Vo（黑色）和Isc（紅色）與網狀電極中不同孔隙大小的函數關系，孔隙率固定為0.4；e. 器件不同區域的Vo（黑色）和Isc（紅色），網狀電極的孔隙率和孔徑保持在0.4和100μm；f. 使用電極中的 "扣 "設計（底部示意圖）串聯的裝置（上部插圖）測量的Vo；? 2022 The Authors

3. 為可穿戴設備供電

圖3. 可穿戴電源：a. 分別放置在去離子水、0.5M NaCl、0.5M KCl和人工海水溶液中生物膜設備的開路電壓Vo（灰色）和短路電流Isc（紅色）；b. 將生物膜裝置貼在皮膚上（頂部），18小時后取出（底部）；c. 貼在出汗的皮膚（頂部）和干燥的皮膚（底部）上生物膜裝置的Vo（灰色）和Isc（紅色）；d. （左圖）連接生物膜設備和可穿戴傳感器的示意圖，用于可穿戴供電，(右上圖）用一個生物膜設備為皮膚可穿戴應變傳感器供電的實際照片，（右下圖）用三個生物膜設備為電化學葡萄糖傳感器供電的實際照片；e. 使用生物膜供電的應變傳感器測量手腕的脈搏信號（左）和胸部的呼吸信號（右）；f. 生物膜供電的葡萄糖傳感器在葡萄糖濃度（C）分別為0、100、200和300μM的溶液中的安培反應；g. (上圖)生物膜供電的葡萄糖傳感器在運動中對電流的連續測量，(下圖)在餐前(藍色)和餐后(橙色)收集的測量結果的校準的葡萄糖水平；? 2022 The Authors

4. 基于不同生物膜的設備

圖4. 由過濾的生物膜制成的結構：a. 通過過濾微生物溶液得到的生物膜的示意圖；b. 分別由G.sulfurreducens、轉基因G.sulpurrenducens Aro-5菌株、大腸桿菌和轉基因大腸桿菌菌株生物膜制作的設備的平均Vo（灰色）和Isc（紅色）；c. 由過濾的大腸桿菌組裝的生物膜的橫截面TEM圖像；d. 組織紙（左）和大腸桿菌浸潤的組織紙（右）的掃描電子顯微鏡圖像；e. 用大腸桿菌和大腸桿菌浸潤的組織紙制造的裝置上測得的平均Vo（灰色）和Isc（紅色）；? 2022 The Authors

【成果啟示】

水自然蒸發發電是一種具有廣闊前景的發電途徑。然而，該技術的實際應用需要解決成本高、加工步驟繁雜、供電能量密度第和供電穩定性差等問題。本文提出的基于微生物生物膜的方案有效地解決了上面提到的問題。同時，本文通過演示利用皮膚上的汗水和水分中獲取電能為可穿戴設備持續供電，展示了其集成結構廣闊的應用潛力。文中結果顯示，即使是不出汗的皮膚也會產生大量的電輸出，表明皮膚持續低水平的水分分泌足以驅動這種水電輸出。因此，基于生物膜片水蒸發發電裝置是可穿戴電子設備持續供電的有希望的候選者。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6