用空气来发电？是的，你没有听错，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校助理教授姚军领导的一项研究发现，通过一种土杆菌属微生物产生的蛋白质纳米线，可以利用空气的湿度来发电，这种空气发电机（Air-gen）即使在极度干燥的沙漠中也可以工作，而且不分昼夜，有望为人类带来革命性的清洁能源。
一次偶然发现
姚军教授领导的团队最初尝试制造一种检测空气湿度的传感器，但在2020年的一次试验中，一位学生无意中拔掉了电源，却发现设备自己产生了电信号，他们很快意识到这个设备正在利用空气中的湿度产生小而连续的电流，从而促成了空气发电机的发明。
那么这种空气发电机的工作原理是什么呢？我们首先需要了解一种叫土杆菌属的微生物。
土杆菌属的蛋白质纳米线
土杆菌属（Geobacter）是一类能够在厌氧条件下，利用铁、锰等金属氧化物作为电子受体进行呼吸的微生物，它们广泛分布在土壤、沉积物和地下水中。土杆菌属的微生物具有很高的环境和能源价值，比如可以参与有机物的降解、重金属的还原、污染物的降解等过程，也可以在微生物燃料电池中产生电能。
土杆菌属可以产生一种具有电导性的蛋白质纳米线，这是一种由蛋白质分子组装而成的具有纳米级尺寸的线状结构，具有很高的比表面积、机械强度和功能性，主要由两种类型的蛋白质组成，分别是：
电导性纤毛（e-pili）：这是一种类似于细菌纤毛（pili）的结构，但是具有很高的电导率，可以将细胞内部产生的电子传递到细胞外部的电子受体上，从而实现远距离的胞外电子传输（EET）。电导性纤毛主要由一种叫做PilA的蛋白质单体组成，这种蛋白质含有丰富的芳香族氨基酸，可以形成稳定的π-π堆积，从而提供一个连续的电子传输通道。
多血红素型c型细胞色素（multi-heme c-type cytochromes）：这是一种含有多个血红素基团（heme groups）的c型细胞色素（c-type cytochromes），可以在血红素基团之间进行电子转移，从而实现短距离的胞外电子传输。多血红素型c型细胞色素主要包括OmcS和OmcZ两种类型，它们可以形成长达数微米的丝状结构，覆盖在细胞表面或延伸到细胞外部。
土杆菌属的蛋白质纳米线可以协同工作，实现不同尺度和场景下的胞外电子传输，从而使土杆菌属的微生物能够在厌氧条件下利用铁、锰等金属氧化物作为电子受体进行呼吸，或者在微生物燃料电池中产生电能。
空气发电机的原理
姚军教授的团队用直径小于100纳米的蛋白质纳米线制成一种纳米孔薄膜材料，将其安装上电极后，就形成一个简单的空气发电机。当空气中水分子的浓度发生变化时，就会引起纳米孔薄膜上水分子的吸附和解吸，导致其产生一个交变的电压差，从而在两个电极之间形成电流，通过外部电路收集后就可以利用了。
这种发电方式和暴风雨云的闪电放电遵循同样的物理原理，只是是在微观尺度上进行的。
空气发电机的优势
简单：这种技术只需要一层纳米孔薄膜和两个电极，就可以制造出一个发电机，无需复杂的组件和工艺。
廉价：这种技术使用了一种由微生物产生的蛋白质纳米线作为纳米孔薄膜，这种材料的成本很低，而且可以大量制造。
可再生：这种技术利用了空气中的湿度变化来产生电流，这是一种无限可再生的能源，不会消耗任何资源，也不会产生任何污染。
可持续：这种技术可以在任何环境中持续地产生清洁能源，无论是白天还是黑夜，无论是晴天还是雨天，无论是高温还是低温，即使在沙漠里也可以发电。
空气发电机面临的挑战和问题
空气发电机通过微小的纳米线发电，但由于无法持续产生高强度的电流，材料也依赖于生物合成的纳米线，阻止了进一步建造规模化或大功率发电机的努力。
经过3年的努力后，姚军教授的团队已取得重大突破，找到了从空气湿度中连续收集能量的通用空气发电效应，可以利用多种材料，包括无机材料、有机材料和生物材料来发电，只要孔径小于100纳米。
不过该装置仍然处于微观尺度，只能实现0.5伏的持续电压和每平方厘米17微安的电流密度，甚至还无法为一个家庭供电。但姚军教授认为，未来Air-gen设备将提供千瓦级的功率，有望融入我们的日常生活中，利用空气中隐藏的能量来为家庭、工厂和城市供电。
总部位于里斯本的Catcher项目团队是一个由欧盟资助的跨学科合作项目，旨在开发基于纳米线材料的新型能源收集器。他们估计，如果将20,000个这种设备堆叠起来，每天就可以产生10千瓦时的电力，提供一个家庭的平均用电量。也许有一天，我们可以把Air-gen设备集成到建筑材料中，或者用纳米线材料来粉刷墙壁，实现整个家庭的自给自足。
可以想象，随着这种技术的不断成熟和成本降低，未来我们将可能仅仅利用周围的空气，就能生产出足够的电力，从而摆脱化石燃料，迈向更清洁、更绿色的未来。
这项研究由姚军教授及其团队刘晓萌、高红艳、孙璐（均为音译）等人完成，题为“Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity”，于2023年5月5日发表在《先进材料》 (Advanced Materials)上。
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