近日，福建农林大学周顺桂教授团队、胡启昌博士在著名国际期刊《Science Advances》发表题为“Waterevaporation–induced electricity with Geobactersulfurreducensbiofilms”的研究成果。文中首次发现硫还原地杆菌生物膜的蒸发势效应，并利用硫还原地杆菌生物膜作为核心材料制备水蒸发发电机。得益于生物膜天然的优异特性，该发电装置可实现持续、高功率密度的发电性能（685.12μW/cm2，比同类器件输出功率高约2个量级）。该研究将微生物引入水蒸发诱导发电技术中，拓展了水蒸发诱导发电的材料选择，极大地提升了微生物膜水伏发电技术的应用潜力。
引言
占地表约71%面积的水资源，不仅对生命至关重要，更是巨大的能量载体。遗憾的是，大部分能量都因蒸发而流失。而水蒸发发电机（WEGs）可通过蒸发过程将环境中的热能转换成可使用的电能，凭借其高度自发且可持续的发电能力受到关注。2017年，NatureNanotechnology杂志上首次报道了利用表面亲水处理过的多孔炭黑制备WEGs，其可通过水蒸发诱导产生持续电能。随后的研究发现，多数水蒸发发电的材料都具有比表面积大、亲水性和带电表面等特性，如碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯等纳米材料。经过几年发展，尽管WEGs在性能方面取得了一定的进展，但传统的WEGs输出功率低、适用材料少、制造工艺复杂和成本高等问题严重制约了该技术的广泛应用。因此，本研究提出一种简单、经济的硫还原地杆菌（Geobactersulfurreducens，简写G.sulfurreducens）生物膜水蒸发诱导发电技术。该技术可实现持续发电，最大输出功率密度可达685.12μW/cm2，比目前已报道的同类器件的输出功率高约2个量级。本工作系统地研究了WEGs的发电性能与生物膜内部因素之间的相关性，为进一步拓宽和发展微生物膜水伏发电技术提供指导。
图文导读
生物膜的制备和表征
图1：G.sulfurreducens生物膜的结构和表征。（A）G.sulfurreducens生物膜和发电装置的制
过程。（B）光学显微镜下G.sulfurreducens生物膜的放大图。（C）G.sulfurreducens生物膜的横截面扫描电镜图。（D）G.sulfurreducens生物膜的FTIR光谱图。（E）G.sulfurreducens菌液的Zeta电位。（F）G.sulfurreducens生物膜的EDS图像。
将离心重悬浮后的G.sulfurreducens菌液均匀涂覆在载玻片表面，干燥后获得表面平整的生物膜（图1B）。在生物膜两端连接惰性金属作为电极，将生物膜下端浸没于水溶液后即可发电（图1A）。生物膜的厚度约为10微米（图1C），膜内部由杆状细胞组成，且具有丰富的孔隙结构。硫还原地杆菌生物膜含有丰富的极性官能团，与水滴的接触角为59°（图1D），Zeta电位测试结果表明硫还原地杆菌带负电（图1E）。EDS能谱结果显示C、O、S和N元素均匀分布在生物膜中（图1F）。上述结果表明成功制备生物膜，具有良好的亲水性。
生物膜WEGs发电性能
图2：生物膜WEGs的发电性能。（A）电流-电压曲线；短路电流和开路电压取自电流-电压曲线的坐标截距；最大功率密度可以通过Pmax=Vm×Im计算。（B）6小时的开路电压和短路电流测试结果。（C）87个生物膜WEGs的功率密度直方图。（D）不同负载电阻条件下的功率密度值。（E）6个小时的负载电压和负载电流测试结果。（F）本工作中器件的功率密度与文献结果对比。
将生物膜的一端浸没于水溶液后，接入电学测试系统测试其发电性能。电流-电压曲线显示该装置的开路电压和短路电流分别为0.53V和2.28μA（图2A）。通过6小时的连续测试发现该装置可长时间维持这种电压和电流（图2B）。87个发电机的测试结果表明生物膜WEGs具有稳定性和可重复性的发电性能（图2C）。该发电机在负载500KΩ时，输出功率约为293.12μW/cm2，可连续发电6个小时（图2D、E）。通过优化后的发电机的发电性能，最大功率密度可达685.12μW/cm2，比目前已报道的同类器件的输出功率高约2个量级（图S20（见原文附件）和图2F）。
生物膜WEGs发电性能的影响因素
图3：发电性能影响因素分析。（A）蒸发速率对发电性能的影响。（B）溶剂极性对发电性能的影响。（C）溶液电导率对发电性能的影响。（D）孔径结构对发电性能的影响。（E）排除垂直方向湿度差对发电性能的影响。（F）排除水平方向湿度差对发电性能的影响。
为探究生物膜水蒸发诱导发电机性能的影响因素，本研究分别对水蒸发速率、溶剂极性、溶液电导率、生物膜平均孔径进行了实验分析。具体如下：首先，蒸发速率是发电性能的重要影响因素。通过调节温度以控制水蒸发速率，从而研究研究了水蒸发速率对WEG发电性能的影响。结果表明，随着蒸发速率的增加，WEG的发电性能随之提高（图3A）。其次，为了确定离子化程度对蒸发发电性能的影响，测试了WEGs在不同极性溶剂中的发电性能（图3B）。结果显示，WEGs在极性越高的液体中，发电性能越强（图3E）。由于在极性越高的溶液中，细胞膜表面官能团的离子化程度越高，故而游离出来的H+或者NH4+越多，通过毛细作用造成的电势差就越大，故而发电性能越强。本研究通过控制盐溶度调控溶液的导电性，从而研究导电性对器件性能的影响。结果显示随着溶液NaCl浓度的增加，溶液的导电性增加，WEG的功率密度随之增大（图3C）。通过在表面施加不同的垂直压力，获得了不同孔径结构的生物膜，从而研究孔径结构对发电机性能的影响，结果表明生物膜的平均孔径越小，发电机的发电性能越强（图3D）。此外，为进一步验证WEGs的发电是来源于水蒸发过程的诱导，本研究增加了排除垂直方向（图3E）和水平方向（图3F）湿度差对发电机性能影响的实验设计，结果进一步证实WEGs发电来源于水蒸发的诱导。
生物膜WEGs的发电机制
图4：发电机制。（A）利用PLS-PM分析导电性，离子化程度，平均孔径和蒸发速率对功率密度的影响。红色和绿色分别表示正和负效应。较大的路径系数显示为更大的字体大小和更宽的箭头。（B）从PLS-PM衍生的标准化直接和间接均值效应。（C）机理示意图。
通过偏最小二乘路径建模（PLS-PM）分析水分蒸发速率、离子化程度、电导率和孔隙结构四个因素之间的关系。其中水分蒸发率、电离水平和电导率是输出功率的正相关因素，而平均孔径是负相关因素。此外，标准化平均效应表明，水分蒸发速率、电离水平和平均孔径对输出功率有明显的直接影响，而孔径和电导率对发电性能的间接影响较弱。G.sulfurreducens生物膜天然具有丰富的孔隙结构，为水分子及离子迁移提供了大量的微孔通道。当生物膜底端接触水溶液后，由于毛细作用的驱动，水溶液进入生物薄膜；同时在水蒸发效应的牵引下，进入生物膜的水溶液通过微孔通道向膜顶端方向运动。此过程中，生物膜中丰富的亲水基团易与水接触并解离产生阳离子（如H+、NH4+等），伴随着水溶液迁移至顶部，这个过程会产生流动电流，并在垂直方向（平行于电流方向）上的顶部电极处产生更高的电势，形成垂直方向的电势差。而得益于毛细作用和水蒸发的共同作用，使得该装置能够连续发电。
应用
图5：发电机的应用演示。（A）5个发电机的开路电压和短路电流，及其串联/并联后的开路电压和短路电流。（B）开路电压随发电机串联个数增加的变化。（C）短路电流随发电机并联个数增加的变化。（D）5个发电机串联后为电容充电。（E）电容点亮LED灯。（F）电容点亮“FAFU”字样的LED板。（G）单个发电机为不同电容充电。
生物膜WEGs的发电性能可通过简单的串、并联实现放大。通过串联放大的发电机组可为商业电容充电，然后用于点亮单个LED和“FAFU”字样的LED板。同时，利用单个发电机也可为不同电容充电至0.4V电压左右。以上结果证明微生物膜WEGs具有极好的实际应用潜力。
小结
本研究采用工艺简易、材料廉价的方法制造了一种可持续绿色的生物膜水蒸发诱导发电机。该发电机可持续输出0.5伏的开路电压和2微安的短路电流，最大输出功率密度可达685.12μW/cm2。此外，该发电机的发电输出性能可以通过简单的串、并联方式实现放大，从而为电容充电和小型电子设备提供电源。本研究为发展基于生物材料的水伏发电技术提供了新方法。
本文以胡启昌博士、福建农林大学博士生马雍基为共同第一作者，周顺桂教授为通讯作者，福建农林大学为第一完成单位。该研究得到了国家杰出青年科学基金（41925028）、国家自然科学基金（41977281）、福建农林大学科技创新专项基金（CXZX2020101A）的资助。
作者简介
周顺桂，教授，博士生导师，国家杰青、国家万人计划创新领军人才，福建农林大学资源与环境学院院长。长期从事土壤生物电化学、有机固废生态循环利用基础理论与新技术研究。主持国家杰青、国家863、国家自然科学基金（8项）、国家科技支撑计划、国家重点研发课题等30余项。以第一/通讯作者在ScienceAdvances、ISME、Angew.Chem.、ES&T等发表SCI论文120余篇，他引9000余次，H-index53，获授权国家发明专利80余件（其中美国专利2件、PCT专利3件）。曾获中国青年科技奖、光华工程科技奖、国家科技进步二等奖（第五）、广东省科学技术一等奖（第一）、广东省自然科学一等奖（第二）、广东省发明专利优秀奖（第一）、中国产学研合作创新成果一等奖（第一）等。
胡启昌，福建农林大学讲师，硕士生导师。主要从事微生物薄膜电子器件、光电传感器等研究。主持和参与了国家自然科学基金面上项目、省、地厅级等科研项目。近年来以第一或者通讯作者在SciencesAdvances、NanoEnergy、Appl.Phys. Lett.等期刊发表论文10余篇。曾获福建农林大学优秀教师、五四青年个人奖章。
马雍基，福建农林大学博士生，师从周顺桂教授。主要从事微生物膜水伏发电研究。
原文信息：
链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8047
DOI：10.1126/sciadv.abm8047