NATURE∣蛋白质纳米线，利用环境湿度发电
文献信息：
作者：Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley, Jun Yao
发表时间：17 February 2020
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2010-9
Nature 影响因子：40.137
背景介绍
从环境中获取能量，为实现自给自足的系统提供了清洁电力的希望。然而，现有的能源收集技术，如太阳能电池、热电装置和机械发电机等，都对环境条件有一定要求，这限制了它们的部署地点，也使其持续生产能源的潜力受限。大气湿度作为一种普遍存在的资源，为能源收集提供了一种新的替代方案。遗憾的是，目前已有的基于湿度的能源收集技术，在环境条件下只能产生间歇性且短暂（短于50秒）的功率爆发，归根结底是缺乏一种可持续的转换机制。
有鉴于此，研究人员展示了一种由纳米级蛋白丝制成的薄膜装置，这些蛋白丝取自微生物几硫化还原菌（Geobacter sulfurreducens），可在环境条件下持续发电。具体而言，该装置能在7微米厚的薄膜上产生约0.5伏的持续电压，每平方厘米的电流密度约为17微安。研究发现，当薄膜暴露在空气中自然存在的湿度时，其内部会形成一个自我维持的湿度梯度，这就是能量产生的关键驱动力。通过将多个装置串联连接，能够提升电压和电流，从而驱动电子产品。这一成果证明了一种连续能量收集策略的可行性，相较于其他可持续方法，该策略受地点或环境条件的限制更少。
图文解读
图1| 纳米线器件与电输出
a，上部为微生物Geobacter sulfurreducens（左侧图中的深色形状）产生的净化纳米线网络的透射电子显微镜（TEM）图像（右侧图）。比例尺为100 nm。下部为器件结构示意图。
b，器件在环境光照（红色）和黑暗（黑色）条件下的典型I-V曲线，环境相对湿度约为50%。
c，纳米线器件在环境中的I（红色）和Vo（黑色）演变。器件最初在0-5小时的Vo约为0.52 V。连接负载电阻（RL=2 MΩ）后，I在5-25小时内持续并逐渐稳定在约110 nA（红色曲线）。在t=25小时断开RL（箭头指示），Vo逐渐回升至初始的0.5 V（25-30小时），显示自充电过程。重新连接RL后，RL再次持续供电（I约为115 nA）（红色曲线；30-50小时）。在50-55小时再次断开RL，Vo再次回升至0.5 V，显示第二次自充电过程。插图为电路图，其中连接到端子1和2分别对应I和Vo测量。
d，器件Vo连续记录超过两个月。同时记录环境相对湿度（蓝色曲线）。
图2| 纳米线薄膜中的湿度梯度和电输出
a，纳米线薄膜中的WH2O随薄膜厚度（d）变化，在环境相对湿度约为50%时绘制。
b，显示纳米线薄膜中垂直湿度梯度的示意图。
c，ΔWH2O和输出电压（Vo）随d绘制。ΔWH2O=2×（27%−WH2O）是顶部和底部界面之间吸附率差异的估计值。
d，对称纳米线器件的顶部和底部表面均被密封时，产生约-0.05 V的残余Vo。
e，插图显示纳米线器件（面积1×2 cm²，厚度约7 µm）与水面上方的湿度梯度（蓝色箭头）垂直对齐，一对电极放置在顶部或底部界面。顶部（黑色）和底部（红色）电极对的Vo在设备靠近水面放置后发生变化（时间超过300秒）。
f，顶部表面一半被玻璃片覆盖的纳米线器件的顶部电极对测量到约0.8 V的残余Vo。
a、c中的误差线代表多次测量（n为3或更多）的统计平均值的标准偏差。
图3| 电输出机制
a，多孔材料中蒸汽压（Pv）降低及空气界面附近蒸汽压梯度存在的示意图。
b，纳米线器件在环境中的连续电流输出（相对湿度约45%），当顶部界面被parafilm覆盖时中断（黑箭头）。电流中断持续（灰色区域）直至密封解除，电流开始恢复至原值（蓝箭头）。RL = 2 MΩ。
c，不同相对湿度（RH）下纳米线器件的电流输出。
图4| 纳米线器件供电
a，在环境相对湿度约为50%时，开路电压（Vo，黑色）和短路电流（Isc，红色）随器件尺寸变化（薄膜厚度约7 µm）。
b，在环境相对湿度约为50%时，开路电压（Vo，黑色）和短路电流（Isc，红色）随薄膜厚度（d）变化（薄膜尺寸约1 mm²）。
c，串联和并联连接五个纳米线器件所得的开路电压（Vo，黑色）和短路电流（Isc，红色），与单个纳米线器件的Vo（灰色）和Isc（紫色）对比。
d，纳米线器件用于给电容器充电以驱动发光二极管（LED，左）或液晶显示器（LCD，右）。
e，由纳米线器件供电的Ge/Si纳米线晶体管的源-漏电流（Ids）与栅极电压（Vgs）关系。插图为电路图。
a、b中的误差线代表多次测量（n为3或更多）的统计平均值的标准偏差。
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