工程师从稀薄的空气中收集丰富的清洁能源

马萨诸塞大学阿默斯特分校的一个工程师团队最近表明，几乎任何材料都可以变成一种从空气中的湿度中不断收集电力的设备。秘诀在于能够用直径小于100纳米的纳米孔在材料上撒胡椒粉。这项研究发表在《先进材料》杂志上。

“这非常令人兴奋，”麻省大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程研究生、该论文的主要作者刘晓萌说。“我们正在为从稀薄的空气中收集清洁电力打开一扇宽阔的大门。

“空气中含有大量的电力，”麻省大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程助理教授、该论文的资深作者Jun Yao说。“想想一朵云，它只不过是一团水滴。这些液滴中的每一个都含有电荷，当条件合适时，云可以产生闪电 - 但我们不知道如何可靠地从闪电中捕获电力。我们所做的是创建一个人造的小规模云，为我们生产可预测和连续的电力，以便我们能够收获它。

人造云的核心取决于姚和他的同事所说的“通用空气效应”，它建立在姚明和合著者、麻省大学阿默斯特分校微生物学杰出教授德里克·洛夫利(Derek Lovley)此前在2020年完成的工作之上，表明可以使用由细菌Geobacter sulfreducens生长的蛋白质纳米线制成的特殊材料从空气中连续收集电力。

“我们在发现Geobacter之后意识到，”姚说，“从空气中发电的能力 - 我们当时称之为'空气生成效应' - 结果证明是通用的：从字面上看，任何一种材料都可以从空气中收集电力，只要它具有一定的特性。

那个属性?“它需要有小于100纳米(nm)的孔，或者小于人类头发宽度的千分之一。

这是因为一个称为“平均自由程”的参数，即物质的单个分子(在这种情况下是空气中的水)在撞到同一物质的另一个单一分子之前行进的距离。当水分子悬浮在空气中时，它们的平均自由程约为100nm。

Yao和他的同事意识到，他们可以根据这个数字设计一个电力收集器。该收割机将由一层薄薄的材料制成，其中填充有小于100nm的纳米孔，可以让水分子从材料的上部通过到下部。但是由于每个孔都很小，水分子在穿过薄层时很容易撞到孔的边缘。这意味着该层的上部将受到比下部更多的载荷水分子的轰击，从而产生电荷不平衡，就像在云中一样，因为上部相对于下部增加了电荷。这将有效地创建一个电池 - 只要空气中有任何湿度就可以运行。

“这个想法很简单，”姚说，“但它以前从未被发现，它开启了各种可能性。收割机可以由各种材料设计而成，为具有成本效益和环境适应性的制造提供了广泛的选择。“你可以想象由一种材料制成的收割机用于雨林环境，另一种材料用于更干旱的地区。

而且由于湿度始终存在，收割机将在晚上风雨无阻地 24/7 全天候运行，无论风是否吹，这解决了风能或太阳能等技术的主要问题之一，这些技术仅在特定条件下工作。

最后，由于空气湿度在三维空间中扩散，并且Air-gen设备的厚度仅为人类头发宽度的一小部分，因此数千个可以堆叠在一起，有效地扩大能量而不增加设备的占地面积。这种Air-gen设备将能够为一般电力公用事业使用提供千瓦级的电力。

“想象一个未来的世界，无论你走到哪里，都可以获得清洁的电力，”姚说。“通用的Air-gen效应意味着这个未来的世界可以成为现实。

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