【大纪元2023年06月07日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）无污染发电是人们一直追求的目标，最近，美国一所大学研发了一种设备，可从潮湿的空气中获取电能，受到多家机构和企业的支持。该项研究成果今年5月发表在《先进材料》杂志上。
美国麻萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amhers，UMass）的研究团队，将多种材料的孔径缩至100纳米（nm）以下，使其变成利用空气中的湿气进行发电的设备。
论文表示，只要有水汽，设备就能全天候的运转发电，这是会受特定条件影响的风能、太阳能和氢能等技术所不具备的优势。
这种构想源自于该校微生物学特聘教授德里克·洛夫利（Derek Lovley）。2020年，他利用硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）生长出来的特殊蛋白质制成一种薄膜，让它利用环境空气湿度来发电。
科学家认为，这项独特的发电机制是，水分子在穿过薄膜层时容易撞到材料表面的孔洞边缘，从而产生出能量。这导致材料的上部，会比下部更容易受到携带电荷的水分子撞击，从而两端产生电荷差，就像云朵会自行产生电力一样。科学家将这种设备称为“空气发生器”（Air-gen）。
依据这一特性，研究人员用蛋白质纳米线以外的材料进行试验。他们利用新的材料制作成了新的电力收集器。
这种电力收集器由玻璃（二氧化硅）为基底，在上面放置一层薄薄的特殊材料，材料中充满小于100nm的纳米孔，让水分子可以充份从材料的上部传递到材料的下部，两侧接上50nm厚的纯金的电极，保证电力能够良好的运行。
研究人员解释说，使用100nm这个参数是因为，空气中的水分子在撞到另一个相同单个水分子的平均距离为100nm。
首先，他们使用常见纤维素纳米纤维（CNF）做成一个0.25平方厘米、厚度为25微米（µm）的薄膜发电器件。结果显示，该材料做成的薄膜发电器件能够输出260毫伏特（mV）。虽然这种材料与蛋白质纳米线成分不同，但具有一些相似的结构特征能够产生电流。
他们还用0.25平方厘米且厚度不同的材料进行了多次测试，其中包括21µm厚的丝素蛋白（SF）、6µm厚的氧化石墨烯（GOx）、31µm厚的硫还原地杆菌（G . sulfurreducens）和11µm厚的PEDOT（3,4-乙烯二氧噻吩），它们均能吸附空气中的水汽，且产生微小的电流。
另外，研究人员还发现，薄膜的厚度越厚其吸水性质越低，但发出的电压越上升。材料层的电阻也会随着材料片数目的增加而增加，而纳米薄膜的电阻与水分吸附成反比。这些结果证明，纳米多孔材料中的厚度会影响材料吸附水汽的能力。
研究人员还将氧化石墨烯和其它生物材料制成的薄膜进行拼接，形成另一种新的发电装置。结果显示，产生的电压比单一材料来的更好，但材料的厚度越厚，产生的电压却越低。
论文中提到，这个“空气发生器”的厚度仅为人类头发直径的几分之一，因此可以把它们进行大量堆叠（数千个），从而扩大和增加装置的发电能力，让装置最终能提供千瓦级的电力，还能在有空气湿度的情况下进行全天候的发电。
该论文的第一作者、麻萨诸塞大学电气与电脑工程专业的研究生刘晓萌（音译，Xiaomeng Liu）对该校新闻社表示，“我们正在打开一扇从稀薄空气中获取清洁电力的大门，这结果让人非常振奋。”
该系的助理教授姚军（音译，Jun Yao）表示，“实际上，任何一种材料只要它具有小于100nm的孔且能吸附水汽，就能从空气中获取电能。这意味着，无论在哪里都能通过‘空气发生器’获得清洁电力。”
他解释，“空气中含有大量的电力，就像云团中含有水滴、电荷和电子。在一定条件下，云朵就会产生闪电。不过，我们不知道如何捕捉来自闪电的电能，因此我们创造一个小的人造云，以我们可预测的方式为我们发电、收集电能和观察。”
目前这项研究得到美国国家科学基金会、索尼集团、Link基金会和麻省大学阿默斯特分校应用生命科学研究所（IALS）的支持。
责任编辑：邵亦
