通讯作者姚军说：“我们实际上是凭空气来发电，产生24/7的清洁能源。这是迄今为止蛋白质纳米线最令人惊讶和激动人心的应用。”

随着环境污染的日趋加重，从环境中获取清洁能源的技术得到了更多人的关注，已知的技术如：太阳能电池、热电装置和机械发电机，然而它们必须在特定的环境中工作，因此限制了持续的能源获取。

由于大气中的湿度无处不在，人们对开发基于湿度的能源收集技术产生了兴趣。在一种策略中，液体水源附近的水分梯度驱动微流控或纳米流控水在薄膜中的传输，以促使电荷传输用于电输出。然而，这种方法仅限于有液态水源的环境，可能难以扩大规模。在另一种策略中，在一个具有湿度的环境中，具有异质垂直羟基分布的碳材料上能够产生一个垂直梯度的电离移动电荷（例如，H+）。

但到目前为止，由于缺乏持续的转换机制，现有的基于湿度的能源收集技术只能在环境中产生间歇性的、短暂的电力收集，环境湿度驱动的设备在电压崩溃之前，功率输出只能维持不到50s的0.9 μA cm-2的电流，相当于30 μW cm-3的功率密度。通过自充电的方式重新建立约0.2 V或者20 V cm-1的电压需要的时间超过100s。因此，充电时间大大超过了电源输出的持续时间。

近日，美国麻省大学Jun Yao教授展示了一种微生物地杆菌生产的纳米尺度的蛋白质纳米线制成的薄膜发电装置，能够在自充电之前至少产生20小时的连续电流，成功实现对LED和液晶显示屏供电。相关论文以题为“Power generation from ambient humidityusing protein nanowires”于2020年2月17日发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9

在本文的研究中，作者使用蛋白质纳米线制成的薄膜装置构成了一个发电机，能够在湿度环境中产生连续的电力，且在自充电之前至少产生20小时的连续电流，大小为17 mA cm-2。与以往依赖环境、大气湿度的能量收集技术相比，产生的功率密度大约为4 mW cm-3，提高了两个数量级以上。

如图1所示，该装置由一层薄的（约7 μm）蛋白质纳米线薄膜组成，沉积在面积约为25 mm2喷涂在玻璃的金电极上。其中，蛋白质纳米线是导电的，并且是从微生物中剪切出来的。在纳米线膜的顶部放置一个较小的金电极（约1 mm2）。作者认为当膜被暴露在空气中存在湿度时，这种能量产生的驱动力是在膜中形成了一个自我维持的水分梯度。本文的研究结果表明，与其他可持续方法相比，制备的薄膜装置不受地点或环境条件限制的持续能源收集战略是可行的。

图1. 纳米线装置和电输出。（a）由硫还原地杆菌产生纳米线TEM图像及装置示意图；（b）在湿度约为50%的照明和黑暗环境中，典型的I-V曲线；（c）在环境相对湿度约为50%中，纳米线装置的I（红色）和Vo（黑色）的演化；（d）记录的Vo及相对湿度随时间的变化。

图2. 纳米线薄膜的水分梯度和电输出。（a）在环境相对湿度约为50%的情况下，根据膜厚度（D）绘制纳米线薄膜中的WHO2；（b）纳米线薄膜中的垂直水分梯度的示意图；（c）WHO2和输出电压（Vo）与d的关系；（d）由顶部和底部表面都密封的对称纳米线装置产生的剩余Vo约为-0.05 V；（e）设备被放置在靠近水面的地方，300s后Vo的改变；（f）纳米线装置中的顶部电极，其顶部表面的一半被玻璃片覆盖测量的残余Vo约0.8 V。

图3. 电输出的机制。（a）多孔材料中蒸汽压力（Pv）的降低和靠近空气界面的蒸汽压力梯度的存在；（b）当顶部的界面被密封时，在相对湿度为45%的环境中纳米线设备的连续电流输出被破坏（黑色箭头），灰色区域表示中断持续存在，直到密封被移除，电流开始恢复到其原始值（蓝色箭头）；（c）纳米线设备在不同相对湿度（RH）下的电流输出。

图4. 纳米线设备供电。（a）在环境相对湿度约为50%的情况下Vo（黑色）和Isc（红色）与设备尺寸的关系曲线，其中膜厚约为7μm；（b）在环境相对湿度约为50%的情况下，Vo（黑色）和Isc（红色）与膜厚度的关系曲线，其膜尺寸约为1mm2；（c）分别串联和并联五个纳米线设备的Vo（黑色）和Isc（红色），与单个纳米线设备的Vo（灰色）和Isc（紫色）相比较；（d）纳米线设备为LED（左）或LCD面板（右）供电；（e）由纳米线设备驱动的Ge/Si纳米线晶体管栅极电压（Vgs）与源漏电流（Ids）之间的关系。

本文提出的细菌产生的纳米线薄膜装置发电的关键在于：纳米线之间的孔隙有利于水分的吸收，当顶部吸水之后，水分从上向下移动，最终形成水分梯度，水中的氢离子和氧离子形成电荷差，最终保持电子的移动。同时，本文中的设备可以缩小尺寸，并且可以串联或并联几个设备，线性地增加输出电压或电流，即使设备的尺寸小到1 mm2左右，Vo也能保持在0.5V左右。当将17个设备串联在一起，可以获得10V的高电压。连接的设备可以为LED或液晶显示器供电，即使单个设备也可以驱动半导体纳米线晶体管。

来源：材料科学与工程公众号，作者：Caspar。