通过排列整齐的微通道和电活性生物膜提升离子导电性的莲花茎水发电装置

《Device》：Lotus-stem hydrovoltaic generators with enhanced ionic conductivity from aligned microchannels and electroactive biofilms

　　

全面概述

能够收集低级环境能量的技术可以为可持续和分散式的电力系统提供动力。通过利用昼夜或季节循环不受限制的自然蒸发过程，水蒸发发电（WEG）可以为大型水体周边偏远地区的分布式传感器和低功耗电子设备提供连续、低维护的电力。然而，依赖于结构无序多孔网络的WEG装置由于水和离子传输的随机性，导致电荷分离和收集效率低下。在这项工作中，我们提出了一种基于荷叶茎和Geobacter sulfurreducens（LSG）混合架构的WEG系统，该系统将垂直排列的荷叶茎微通道与电活性的Geobacter sulfurreducens生物膜集成在一起。通过设计用于水传输、离子迁移和电荷传导的微通道，我们发现将各向异性传输结构与增强导电性的功能组件相结合可以减少传输损失并提高水伏特性能。

亮点

•

LSG-WEG中的垂直排列的荷叶茎通道能够实现定向的水和离子传输

•

电活性生物膜增强了离子导电性和电荷传输

•

LSG-WEG实现了63 μW cm^?2的输出功率，并且稳定性超过30天

•

一个可扩展的16 × 16 LSG-WEG阵列可为便携式电子设备供电

总结

水蒸发发电可以通过自发相变来收集低级环境热量。然而，其性能受到无序多孔结构的限制，这些结构阻碍了离子的定向传输并产生了界面损耗。在这里，我们受到荷叶茎内生菌辅助传输机制的启发，设计了一种具有垂直排列微通道和电活性Geobacter sulfurreducens生物膜的水伏特发电机。这种协同设计的系统能够引导水和离子的传输，并增强离子导电性，从而实现1.48 V的开路电压、0.3 mA的短路电流以及63 μW/cm²的功率密度。多物理场模拟表明传输速率和界面电荷富集得到了加速，而路径分析确定蒸发速率和导电性是性能的主要影响因素。一个可扩展的16 × 16阵列能够提供稳定的输出功率，足以驱动便携式电子设备。

图形摘要