雾水转化与氮肥自供给系统的农业应用：提升作物生长的可持续解决方案

为解决全球水资源短缺和化肥滥用导致的农业与环境问题，香港研究团队开发了一种集成雾水收集器(FWC)和火花型液滴发电机(SDEG)的自给系统(WCNPS)。该系统通过3D楔形脊柱结构实现35%的雾水转化效率，并利用高压放电以2.38 mg/L/h速率固氮。实验证明其可提升豌豆生物量22.5%，为干旱地区农业提供零能耗解决方案，预计年增小麦产量140万吨。

　　

全球正面临水资源短缺与化肥污染的双重挑战。目前20亿人受缺水影响，6.9亿人营养不良，而传统农业依赖的化学肥料不仅加重环境负担，其生产过程还消耗大量能源。更严峻的是，干旱地区尽管常有海雾，却因缺乏高效收集技术难以利用。如何实现水肥联产、突破"无水可灌、无肥可用"的困境，成为可持续农业的核心难题。

香港的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，通过仿生学与能量转换技术的创新融合，开发出世界首个雾水-氮肥自供给系统(WCNPS)。该系统将雾水收集器(FWC)与火花型液滴发电机(SDEG)垂直集成，仅需自然雾流驱动即可同步产出灌溉水和硝酸盐肥料。实验证实，该系统每日运行3小时即可为每公里海岸线提供11,239吨水和99.8公斤硝酸盐，理论上能使全球小麦年产量增加140万吨。

研究团队运用三大关键技术：1）基于3D楔形脊柱结构的模块化雾水收集器，通过计算流体力学优化涡流捕获效率；2）双亲表面(亲水/疏水交替图案)激光加工技术，实现液滴快速合并与弹跳；3）凯尔文水滴发电机改进方案，利用液滴下落诱导6 kV高压放电，触发空气电离固氮反应。

雾水转化器(FWC)的结构突破
通过模仿仙人掌的3D圆柱结构和甲虫背部亲疏水图案，团队设计出具有米级尺寸的模块化收集单元。粒子图像测速(PIV)显示，这种中空楔形结构能产生直径6.75μm的临界逃逸涡流(d_cri)，使雾滴捕获效率达35%，较传统网状结构提升2.3倍。双亲表面布局II（亲水点间距1.9-2.5mm）通过控制液滴合并动力学，将临界脱离半径(R_c)降低21.8%，实现6.8 kg/m²/h的创纪录集水速率。

火花固氮的能量转换机制
SDEG通过水滴下落产生的静电累积，每3秒释放6 kV电火花。COMSOL模拟显示放电时局部电场强度达1.2 kV/mm，分子动力学(MD)证实其能将空气中N₂/O₂转化为NO/NO₂。密度泛函理论(DFT)计算揭示*NOO→*NO₂路径的吉布斯自由能(ΔG)最低，因此最终产物中NO₂浓度是NO的3.4倍。25 mL反应器每小时可生成1.3 ppm NO₂，溶解后形成30 mg/L NO₃^-营养液。

农业应用验证
在豌豆栽培实验中，WCNPS处理组的茎鲜重、钙和叶绿素含量分别提升22.5%、3.5%和141.9%。电场辅助模式下（60 kV/m），豌豆种子发芽率12小时达88%，较对照组提高37%。该系统运行40小时可制备100 mg/L NO₃^-溶液，成本仅0.0049美元/kg水，较海水淡化节能90%。

这项研究开创了"大气水-肥联产"新模式，其核心价值在于：1）首次实现雾水收集与电火花固氮的耦合，能量转换效率达25%；2）通过仿生结构设计突破传统集雾器的尺寸-效率矛盾；3）为干旱地区提供零碳排的分布式农业解决方案。研究团队预估，在秘鲁、纳米比亚等海岸线部署该系统，可满足小麦生长季水肥需求的17%。这种"以雾为源、以电为媒"的技术路径，为应对全球粮食安全挑战提供了全新思路。