【導(dǎo)讀】
隨著化石燃料的科技日漸消耗，尋找可持續(xù)、利用料牛無(wú)污染的水蒸綠色能源迫在眉睫。利用水自然蒸發(fā)發(fā)電是電材其中一種有希望的能量來(lái)源。在水-固體界面上，科技水流的利用料牛蒸發(fā)可以驅(qū)動(dòng)電荷傳輸，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。水蒸由于吸附在地球上的電材約50%的太陽(yáng)能都在驅(qū)動(dòng)水的蒸發(fā)，水蒸發(fā)發(fā)電具有非常大的科技潛力。為了實(shí)現(xiàn)功率的利用料牛有效輸出，水蒸發(fā)發(fā)電要求材料具有大表面積，水蒸且?guī)в邢嚓P(guān)的電材移動(dòng)表面電荷。目前，科技水蒸發(fā)發(fā)電主要通過(guò)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(tuán)）的利用料牛薄膜實(shí)現(xiàn)。然而，水蒸基于納米材料的方案成本相對(duì)較高且需要經(jīng)過(guò)一系列的加工流程，同時(shí)功率密度和穩(wěn)定性都很低，這些缺點(diǎn)限制了其實(shí)際應(yīng)用。使用生物材料（如具有固有的多孔結(jié)構(gòu)和便于制造的木材）可以降低成本，同時(shí)有效地減少與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料相關(guān)的生產(chǎn)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(jìn)一步限制了可擴(kuò)展的集成和可穿戴的實(shí)施。
【成果掠影】
近日，馬薩諸塞大學(xué)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(shí)現(xiàn)了從蒸發(fā)的水中長(zhǎng)期連續(xù)發(fā)電，展示了一種低成本、易加工且功率密度和穩(wěn)定性較高的水蒸發(fā)發(fā)電方案。利用單個(gè)生物膜（40μm厚）內(nèi)的水蒸發(fā)可以連續(xù)產(chǎn)生高達(dá)1μW/cm2的功率密度電能。同時(shí)，通過(guò)將生物膜夾在一對(duì)網(wǎng)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(shè)備持續(xù)供電。研究成果以題為“Microbial biofilms for electricity generation from water evaporation and power to wearables”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Nature Communication上。
【核心創(chuàng)新點(diǎn)】
（1）提出利用微生物生物膜構(gòu)造水蒸發(fā)發(fā)電單元，不僅降低了成本，避免了復(fù)雜的加工工藝，同時(shí)獲得了優(yōu)異的發(fā)電性能。結(jié)構(gòu)在一個(gè)月內(nèi)維持了穩(wěn)定的0.45V的電壓輸出和0.15μA的電流輸出；
（2）利用網(wǎng)狀電極構(gòu)造垂直薄膜器件，以提高可擴(kuò)展電力生產(chǎn)的集成度。同時(shí)通過(guò)調(diào)整網(wǎng)狀電極的結(jié)構(gòu)以獲得最佳能量輸出；
（3）演示了利用皮膚表面的水蒸發(fā)為可穿戴設(shè)備供電。比較了干燥皮膚和濕潤(rùn)皮膚上設(shè)備的供電情況，研究結(jié)果顯示，即使是不出汗的皮膚也會(huì)產(chǎn)生大量的電輸出，表明皮膚持續(xù)低水平的水分分泌足以驅(qū)動(dòng)這種水電輸出。
【圖文概覽】
1. 結(jié)構(gòu)與性能
圖1 G. sulfurreducens生物膜的電學(xué)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(zhì)（灰色）上構(gòu)建（i）單個(gè)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(gè)月內(nèi)的連續(xù)記錄；e. 浮在水面上的集成器件陣列的開路電壓（Vo），用于為L(zhǎng)CD（插圖）供電；? 2022 The Authors
2. 設(shè)計(jì)集成
圖2.使用網(wǎng)狀電極的集成生物膜結(jié)構(gòu)：a. 生物膜裝置的示意圖和實(shí)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(wǎng)狀電極中不同孔隙率的函數(shù)關(guān)系圖；d. 器件的Vo（黑色）和Isc（紅色）與網(wǎng)狀電極中不同孔隙大小的函數(shù)關(guān)系，孔隙率固定為0.4；e. 器件不同區(qū)域的Vo（黑色）和Isc（紅色），網(wǎng)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(shè)計(jì)（底部示意圖）串聯(lián)的裝置（上部插圖）測(cè)量的Vo；? 2022 The Authors
3. 為可穿戴設(shè)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(shè)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(shí)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(shè)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(gè)生物膜設(shè)備為皮膚可穿戴應(yīng)變傳感器供電的實(shí)際照片，（右下圖）用三個(gè)生物膜設(shè)備為電化學(xué)葡萄糖傳感器供電的實(shí)際照片；e. 使用生物膜供電的應(yīng)變傳感器測(cè)量手腕的脈搏信號(hào)（左）和胸部的呼吸信號(hào)（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(yīng)；g. (上圖)生物膜供電的葡萄糖傳感器在運(yùn)動(dòng)中對(duì)電流的連續(xù)測(cè)量，(下圖)在餐前(藍(lán)色)和餐后(橙色)收集的測(cè)量結(jié)果的校準(zhǔn)的葡萄糖水平；? 2022 The Authors
4. 基于不同生物膜的設(shè)備
圖4. 由過(guò)濾的生物膜制成的結(jié)構(gòu)：a. 通過(guò)過(guò)濾微生物溶液得到的生物膜的示意圖；b. 分別由G.sulfurreducens、轉(zhuǎn)基因G.sulpurrenducens Aro-5菌株、大腸桿菌和轉(zhuǎn)基因大腸桿菌菌株生物膜制作的設(shè)備的平均Vo（灰色）和Isc（紅色）；c. 由過(guò)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(rùn)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(rùn)的組織紙制造的裝置上測(cè)得的平均Vo（灰色）和Isc（紅色）；? 2022 The Authors
【成果啟示】
水自然蒸發(fā)發(fā)電是一種具有廣闊前景的發(fā)電途徑。然而，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)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(wěn)定性差等問(wèn)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(wèn)題。同時(shí)，本文通過(guò)演示利用皮膚上的汗水和水分中獲取電能為可穿戴設(shè)備持續(xù)供電，展示了其集成結(jié)構(gòu)廣闊的應(yīng)用潛力。文中結(jié)果顯示，即使是不出汗的皮膚也會(huì)產(chǎn)生大量的電輸出，表明皮膚持續(xù)低水平的水分分泌足以驅(qū)動(dòng)這種水電輸出。因此，基于生物膜片水蒸發(fā)發(fā)電裝置是可穿戴電子設(shè)備持續(xù)供電的有希望的候選者。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6
