近日，福建农林大学周顺桂教授团队在《Research》上发表题为“All-biobased hydrovoltaic-photovoltaic electricity generators for all-weather energy harvesting”的研究成果。首次利用微生物与植物光系统II（PSII）自组装构建新型全生物基的水伏-光伏耦合发电机。得益于微生物膜的湿气发电效应与PSII的光生电子效应的协同作用，该装置可实现全天候发电性能（1.24 W/m2），其性能超过了迄今报道的所有湿气发电机。该耦合发电机可在阴天、雨天或晴天工作产生电力直接驱动电子显示屏。该研究为协同捕获环境水能和太阳能提供了一个可行策略。
引言
为了应对能源日益紧缺和环境污染的问题，开发绿色可持续的发电技术已经成为目前的研究热点。众所周知，地表水体吸收了到达地表的35%太阳辐射能量，取其千分之一即可满足全球的能源需求（约6.0^1013 W）。为此，已有技术通过水-固界面的相互作用将水中蕴含的能量转化为电能，即“水伏”发电技术。湿气发电技术是水伏发电中的一种，由于其可以利用无穷尽、无污染和无所不在的环境湿气进行发电而备受关注。本团队前期已报道可以利用全细胞的微生物膜（Geobacter sulfurreducens，简写G.s）进行湿气发电，但低效的发电性能限制了其进一步的应用。在自然界中，附生植物由于其不发达的根系而进化出可通过叶片吸收湿气的结构，这类似于湿气发电过程中的吸湿，而叶片本身就是一个光合系统（由光系统I和光系统II组合而成）。受此启发，本文构建了由G.s和光系统II杂化而成的水伏-光伏发电机（HPEG）。其性能相对于单独的水伏发电机可提高1.73倍，最大输出功率可达1.24 W/m2，优于目前所有的湿气发电机。该水伏-光伏发电机可在阴天、雨天或晴天产生足够的电力驱动商业电子设备运行，具有广泛的应用前景，并为协同捕获水能-太阳能进行耦合发电提供理论指导。
图片摘要
图文导读
图1：（a）水伏-光伏发电装置的制备过程。（b）G.s-PSII杂化体的TEM。（c）荧光图像。（d）粒径分布图。（e）装置实物图。（f和g）SEM图像。（h）紫外-可见吸收光谱。
将提取的PSII颗粒添加到G.s的悬浮液中以制备G.s-PSII杂化体。随后将杂化体离心、重悬并滴加到氧化铟锡（ITO）玻璃上，干燥形成G.s-PSII杂化生物膜，并将钛网电极固定在G.s-PSII杂化生物膜的顶部以制造全生物基G.s-PSII HPEG。
图2：（a）水伏-光伏发电示意图。（b）光-暗条件下的发电性能。（c）不同光强对发电性能的影响。（d）不同湿度对发电性能的影响。（e）长时间输出测试。（f）性能对比图。
G.s-PSII HPEG能够产生~0.45 V的开路电压（Voc）和~4.2 μA的短路电流（Isc）（图2（b）），其大小会受到光强和环境相对湿度（RH）的变化而变化（图2（c和d））。在90%RH和1.5 mW/cm2的光强下产生了173 mW/m2的输出功率密度，并可以长时间维持稳定输出（图2（e））。此外，在高湿（90%RH）和高光强（100 mW/cm2，AM 1.5）下，输出功率密度可以提高到1.24 W/m2，远大于目前已知的湿气发电机性能（图2（f））。因此，G.s-PSII水伏-光伏发电装置可以通过环境湿气和太阳光协同诱导可持续的发电。
应用
图3：（a和b）叶形的水伏-光伏发电装置及其（c）串联集成后的电压和电流。（d-f）在阴天、雨天和晴天的输出电压。
为了测试HPEG的应用潜力，本文制备了叶形HPEG，如图3（a）所示，其可以串联形成一个集成的HPEG（图3（b）），并具有稳定和可等比例放大的功率输出（图3（c））。该集成的HPEG装置可在阴天产生的4.2 V的电压，足以直接点亮电子显示屏（图3（d））。此外，雨天和晴天可以进一步提高输出功率（图3（e和f））。这些结果表明，集成的HPEG可以在实际天气条件下维持稳定的功率输出并被直接用于电子设备的供电。
图4：（a）光照对HPEGs性能的影响。（b）PL荧光寿命。（c）价带谱和能带图。（d）紫外-可见吸收光谱。（e）光-暗测试电流。（f）光电荷转移途径。
为了探究G.s-PSII杂化膜的水伏-光伏耦合机制，我们制备了单组分PSII或G.s的HPEGs，结果发现G.s-PSII HPEG的光响应电压（~0.24 V）远高于PSII（~0.15 V）和G.s（~0.02 V）的电压（图4（a））。因此推断：PSII和G.s杂化后产生了独特的局部结构和界面特性。光致发光（PL）寿命光谱的测试结果证实了这一结果：PSII和G.s之间的杂化能够在相当长的时间内维持载流子的激发态（图4（b））。此外，能带结构显示PSII和G.s之间的载流子转移过程是有利于光电荷分离（图4（c）），从而产生一个光伏电场（EP）（图4（f））。
图5：（a）湿度对水伏发电性能的影响。（b）HPEG中水伏和光伏电场示意图。（c）不同湿度和光强对HPEG输出功率的影响。（d）电化学阻抗谱图。
除了光伏电场EP，全生物基HPEG中还存在一个水伏电场（EH），两个电场的叠加就是总电场（Etotal）。但其输出性能随着相对湿度的增加而显著增加（图5（a））。因此，G.s-PSII HPEG中的水伏和光伏发电之间存在协同效应（图5（b和c））。这是因为水分子的存在促进了光激发电子-空穴对的分离，通过增加可移动离子和电子来降低电荷转移或扩散阻力（图5（d））。
小结
本研究利用微生物膜和植物光系统II仿生出一种可同时捕获太阳能和水能的耦合发电装置。该发电装置在100 mW/cm2的光强下可产生1.24W/m2的最大功率密度。此外，该发电机可在广泛的环境湿度范围（10~90%RH）下进行工作，因此在世界大部分地区都具有潜在极高的应用前景。这为获取可持续和绿色能源提供了一种可行的选择。
本文以任国平特任副研究员、胡启昌副教授为第一作者，以周顺桂教授、吕健教授为通讯作者，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）、中国博士后科学基金（2022M710698）、福建省自然科学基金（2022J01154）和福建农林大学科技创新基金（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Science Advances、ISME、Angew. Chem.、ES&T、Research等发表SCI论文120余篇，他引9000余次，H-index 53，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。
吕健，教授，博士生导师，福建省新世纪优秀人才，福建农林大学资源与环境学院副院长。长期从事环境功能材料在有毒、有害、温室气体的吸附与存储、离子吸附与去除、持久有机污染物的吸附与降解等方面的基础研究工作。主持和参与国家973、国家自然科学基金等项目。以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem Int. Ed.、Coord. Chem. Rev.、Chem. Commun.等国际顶级期刊发表SCI论文20余篇。荣获2013年度英国皇家会中–英引进研究学者奖。
任国平，福建农林大学副研究员。主要从事微生物膜水伏发电技术研究。获得福建农林大学优秀博士论文资助基金。近年来以第一作者在Research、Nano Energy、Water Res.、Chem. Eng. J.、Biosens. Bioelectron.、Bioresource Technol.等期刊发表论文6篇，获授权国家发明专利2件。
胡启昌，福建农林大学副教授，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。主持和参与国家自然科学基金、中国博士后科学基金、福建省自然科学基金等科研项目。近年来以第一或者通讯作者在Sciences Advances、Research、Nano Energy、Chem. Eng. J.、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。