2022
09/22
相关创新主体

创新背景

从周围的环境中获取可自给自足的清洁能源对于缓解能源压力和环境压力具有重要意义。一些众所周知的新能源技术,如太阳能、风能等可再生能源都对环境有特定要求,这在一定程度上限制了这些技术的使用范围,也限制了它们持续生产能源的潜力。

 

创新过程

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的一组研究人员研发了一种新装置,它凭借一种由细菌产生的天然蛋白质,利用空气中的水分和蛋白质纳米线成功发电。新技术突破了其他的清洁能源的地缘限制,不受地点、气候等环境因素的限制,即使在室内,甚至是沙漠等湿度极低的地区,也能有效产电。

电流来源

研究人员和同事在此前的实验中发现一种名为地杆菌的菌属。这些细菌能从有机物质中将电子转移到金属类化合物中。自那之后,人们开始认识到,许多细菌可以通过制造蛋白质纳米线将电子传递到它们周围的其他细菌或环境中,这样的电子转移可以形成微小的电流。

此外,研究人员在以前的实验中探索传感器设备时,发现孤立的纳米线有时会自发地产生电流。当把纳米线薄膜夹在两块用金薄片制成的电极之间并且不去管它时,它可以产生至少维持20个小时的电流。这些电子来自空气湿度和纳米线之间的相互作用。当蛋白质纳米线处于湿度很低的环境中时,电流会显著减小。

蛋白质纳米线薄膜吸收空气中的水分产电

装置运作

研究在确定电流来源之后证明,将“空气发电机”装置暴露在有水蒸气的空气中,是产生电流的一个必要条件。这种空气发电机装置的运作只需一个不到10微米厚的蛋白质纳米线薄膜。将薄膜置于一片电极上,再在薄膜上方覆盖一个比薄膜更小的电极置,薄膜会从大气中吸收水蒸气。

蛋白质纳米线的导电性结合蛋白质表面的化学性质,再加上薄膜内部纳米线之间的细孔,为在两个电极之间产生电流创造了条件。研究结果显示,新装置在空气湿度为45%时能够产生最好的效果,但装置的优势在于不受地区环境限制,它即使在撒哈拉沙漠的极度干燥环境下也能发电。

目标是大规模系统

研究关于蛋白质纳米线应用拓展了一项新的无污染、可再生、低成本的获取新能源的可能。在此之前的研究使用如石墨烯等材料从空气的水蒸气中获取能源都只能短暂地产生少量电流。而在新的蛋白质纳米线发电装置中,这种发电过程可以持续两个月以上,目前其发电量足以为小型电子设备提供电力。

研究人员希望这项技术可以很快投入商业应用。下一步研发计划试图开发出一种小型的空气发电机,可以为可穿戴电子设备以及手机提供电力,减少这些设备对传统电池的依赖。

研究人员的最终目标是制造大规模系统。例如,将这种设备以某种方式融入到装修所用的墙漆中,从而让其为家庭和普通建筑提供电能。研究人员认为,一旦电线生产达到工业规模,那么制造出大型系统将成为可能。

 

创新意义

新装置将对未来的可再生能源、气候变化和医学研究都将产生重大影响,推进以蛋白质为基础的电子设备时代步入开端,这对于可持续能源生产极具重要积极作用。

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