用空氣來發電？是的，你沒有聽錯，美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校助理教授姚軍領導的一項研究發現，通過一種土桿菌屬微生物產生的蛋白質納米線，可以利用空氣的濕度來發電，這種空氣發電機（Air-gen）即使在極度干燥的沙漠中也可以工作，而且不分晝夜，有望為人類帶來革命性的清潔能源。

姚軍教授領導的團隊最初嘗試制造一種檢測空氣濕度的傳感器，但在2020年的一次試驗中，一位學生無意中拔掉了電源，卻發現設備自己產生了電信號，他們很快意識到這個設備正在利用空氣中的濕度產生小而連續的電流，從而促成了空氣發電機的發明。

(資料圖)

那么這種空氣發電機的工作原理是什么呢？我們首先需要了解一種叫土桿菌屬的微生物。

土桿菌屬（Geobacter）是一類能夠在厭氧條件下，利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進行呼吸的微生物，它們廣泛分布在土壤、沉積物和地下水中。土桿菌屬的微生物具有很高的環境和能源價值，比如可以參與有機物的降解、重金屬的還原、污染物的降解等過程，也可以在微生物燃料電池中產生電能。

土桿菌屬可以產生一種具有電導性的蛋白質納米線，這是一種由蛋白質分子組裝而成的具有納米級尺寸的線狀結構，具有很高的比表面積、機械強度和功能性，主要由兩種類型的蛋白質組成，分別是：

電導性纖毛（e-pili）：這是一種類似于細菌纖毛（pili）的結構，但是具有很高的電導率，可以將細胞內部產生的電子傳遞到細胞外部的電子受體上，從而實現遠距離的胞外電子傳輸（EET）。電導性纖毛主要由一種叫做PilA的蛋白質單體組成，這種蛋白質含有豐富的芳香族氨基酸，可以形成穩定的π-π堆積，從而提供一個連續的電子傳輸通道。

多血紅素型c型細胞色素（multi-heme c-type cytochromes）：這是一種含有多個血紅素基團（heme groups）的c型細胞色素（c-type cytochromes），可以在血紅素基團之間進行電子轉移，從而實現短距離的胞外電子傳輸。多血紅素型c型細胞色素主要包括OmcS和OmcZ兩種類型，它們可以形成長達數微米的絲狀結構，覆蓋在細胞表面或延伸到細胞外部。

土桿菌屬的蛋白質納米線可以協同工作，實現不同尺度和場景下的胞外電子傳輸，從而使土桿菌屬的微生物能夠在厭氧條件下利用鐵、錳等金屬氧化物作為電子受體進行呼吸，或者在微生物燃料電池中產生電能。

姚軍教授的團隊用直徑小于100納米的蛋白質納米線制成一種納米孔薄膜材料，將其安裝上電極后，就形成一個簡單的空氣發電機。當空氣中水分子的濃度發生變化時，就會引起納米孔薄膜上水分子的吸附和解吸，導致其產生一個交變的電壓差，從而在兩個電極之間形成電流，通過外部電路收集后就可以利用了。

這種發電方式和暴風雨云的閃電放電遵循同樣的物理原理，只是是在微觀尺度上進行的。

簡單：這種技術只需要一層納米孔薄膜和兩個電極，就可以制造出一個發電機，無需復雜的組件和工藝。

廉價：這種技術使用了一種由微生物產生的蛋白質納米線作為納米孔薄膜，這種材料的成本很低，而且可以大量制造。

可再生：這種技術利用了空氣中的濕度變化來產生電流，這是一種無限可再生的能源，不會消耗任何資源，也不會產生任何污染。

可持續：這種技術可以在任何環境中持續地產生清潔能源，無論是白天還是黑夜，無論是晴天還是雨天，無論是高溫還是低溫，即使在沙漠里也可以發電。

空氣發電機通過微小的納米線發電，但由于無法持續產生高強度的電流，材料也依賴于生物合成的納米線，阻止了進一步建造規模化或大功率發電機的努力。

經過3年的努力后，姚軍教授的團隊已取得重大突破，找到了從空氣濕度中連續收集能量的通用空氣發電效應，可以利用多種材料，包括無機材料、有機材料和生物材料來發電，只要孔徑小于100納米。

不過該裝置仍然處于微觀尺度，只能實現0.5伏的持續電壓和每平方厘米17微安的電流密度，甚至還無法為一個家庭供電。但姚軍教授認為，未來Air-gen設備將提供千瓦級的功率，有望融入我們的日常生活中，利用空氣中隱藏的能量來為家庭、工廠和城市供電。

總部位于里斯本的Catcher項目團隊是一個由歐盟資助的跨學科合作項目，旨在開發基于納米線材料的新型能源收集器。他們估計，如果將20,000個這種設備堆疊起來，每天就可以產生10千瓦時的電力，提供一個家庭的平均用電量。也許有一天，我們可以把Air-gen設備集成到建筑材料中，或者用納米線材料來粉刷墻壁，實現整個家庭的自給自足。

可以想象，隨著這種技術的不斷成熟和成本降低，未來我們將可能僅僅利用周圍的空氣，就能生產出足夠的電力，從而擺脫化石燃料，邁向更清潔、更綠色的未來。

這項研究由姚軍教授及其團隊劉曉萌、高紅艷、孫璐（均為音譯）等人完成，題為“Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity”，于2023年5月5日發表在《先進材料》 (Advanced Materials)上。

論文：https://doi.org/10.1002/adma.202300748

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