UMass Amherst的工程师全天候24小时从稀薄的空气中获取大量清洁能源

研究人员描述了“通用空气发电效应”——几乎任何材料都可以设计成带有纳米孔，以获取具有成本效益、可扩展、无中断的电力

马萨诸塞州阿姆赫斯特——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设备，可以不断地从空气中的湿气中获取电能。秘诀在于能够在材料中加入直径小于100 纳米的纳米孔。该研究发表在《先进材料》杂志上。

“这非常令人兴奋，”麻省大学阿默斯特工程学院电气与计算机工程专业的研究生、该论文的第一作者刘晓萌说。“我们正在打开一扇从稀薄空气中获取清洁电力的大门。”

“空气中含有大量的电力，”该论文的资深作者、麻省大学阿姆赫斯特分校工程学院电气与计算机工程助理教授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能。我们所做的是创建一个人造的小型云，以可预测和持续的方式为我们发电，以便我们可以收获它。”

人造云的核心取决于 Yao 和他的同事所说的“通用空气发电机效应”，它建立在 Yao 和共同作者、UMass Amherst 微生物学特聘教授 Derek Lovley 之前完成的工作之上2020 年表明，可以使用一种由硫还原地杆菌生长的蛋白质纳米线制成的特殊材料，从空气中持续收集电能。

“在发现Geobacter之后，我们意识到，”Yao 说，“从空气中发电的能力——我们当时称之为‘空气发电效应’——被证明是普遍的：实际上任何一种材料都可以从空气中获取电能，只要它具有某种特性。”

那个财产?“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(在本例中为空气中的水)在撞到同一物质的另一个单个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 100 nm。

姚和他的同事们意识到他们可以根据这个数字设计一个电力收集器。这种收集器将由一层薄薄的材料制成，该材料充满了小于 100 nm 的纳米孔，可以让水分子从材料的上部传递到材料的下部。但是由于每个孔都非常小，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会比下部受到更多携带电荷的水分子的轰击，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的电池。

“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。” 收割机可以用几乎所有种类的材料设计，为具有成本效益和环境适应性的制造提供广泛的选择。“你可以想象用一种材料制成的收割机用于雨林环境，另一种用于更干旱的地区。”

由于湿度始终存在，收割机将在夜间全天候运行，无论风雨无阻，无论是否有风，这解决了风能或太阳能等技术的主要问题之一，这些技术只能在特定条件下工作.

最后，由于空气湿度在三维空间中扩散，而 Air-gen 装置的厚度仅为人类头发宽度的几分之一，因此可以将数千个它们堆叠在一起，从而有效地扩大数量在不增加设备占地面积的情况下节省能源。这种 Air-gen 设备能够为一般电力设施提供千瓦级的电力。

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

这项研究得到了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，该研究所结合了麻省大学阿默斯特校区 29 个院系的深厚跨学科专业知识，将基础研究转化为创新有益于人类健康和福祉。

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