随着能源危机和环境问题的日益加剧，绿色、可再生能源的研究和应用受到越来越广泛的关注。太阳能、热能、机械能、风能、生物能等能源陆续被用于电能转化。然而，上述能源形式在应用上仍然有较多限制，例如太阳能发电装置需要持续光照；风能发电往往对地域要求相对较高；摩擦或者压力发电需要持续的相对运动，对材料与装置的机械性能要求较高。湿空气在自然界和生命过程中几乎无处不在，如果能够大规模用来产生电能，将大大扩展可持续电能的来源。
图1 生物质纳米纤维湿气发电（图片来源：青岛能源所仿生智能材料研究组）
湿气发电，又称为湿伏发电，是近几年发展的新兴前言研究领域。例如，当溶液通过碳纳米材料构成的纳米通道时，可以产生流动电势。但是，碳纳米材料的宏量制备难度较大、成本较高，复杂的器件及孔道结构也影响了大规模应用。
在自然界中，很多生物及人体生理过程中伴随着基于体液/组织液的生物电现象。例如，树液在树干中自下往上运输会产生流动电势；细胞膜由于内外离子及浓度差异，存在跨膜电势。这些基于生物质的发电现象给了我们深刻的启发。生物高分子材料一般具有储量大、可降解、可再生、生物相容好等优点，而且生物质高分子链上分布着丰富的极性基团（例如纤维素的周期性羟基），具有良好的空气吸湿效果和优异的离子传输能力，有望模拟生物过程，用于湿气发电。
图2 生物质纳米纤维湿气发电机理示意图（图片来源：Advanced Functional & Nano Energy）
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所李朝旭研究组实现了基于生物质纳米纤维的湿气发电（图1）。主要机理可归纳为两种方式。
机理一（图2a）：生物质纳米纤维（纤维素纳米纤维、蚕丝纳米纤维、甲壳素纳米纤维、Amyloid纳米纤维等）具有良好的空气吸湿性能。这主要是因为一方面生物基纳米纤维材料表面具有丰富的亲水基团（例如羟基、羧基、季铵基团、氨基等）；另一方面基于开尔文毛细冷凝原理，纳米纤维的小尺寸效应（直径一般<10 nm）和气凝胶的层级孔道结构更有利于蒸汽的凝结。因此，当具有一定湿度（相对湿度>50%）的气流通过生物质纳米纤维材料（例如纤维气凝胶）时，蒸汽会以结合水和自由水的形式被气凝胶捕获，纤维表面羧基等基团解离进而在纤维表面形成双电层，气凝胶前后具有湿度差，前端湿气冷凝与后端的水分蒸发达到平衡，气凝胶内部表面和孔道中的溶液流动形成流动电势，从而制成生物基纳米纤维气凝胶湿气发电机。该研究组进一步研究表明此种机理基本符合斯莫鲁霍夫斯基流动电势原理，能够用于持续发电。
机理二（图2b）：生物质纳米纤维（羧基化纤维素纳米纤维、蚕丝纳米纤维、脱乙酰化甲壳素纳米纤维、Amyloid纳米纤维等）不仅具有良好的空气吸湿性能，而且其中的羧基、氨基等基团可以解离出自由移动的离子（氢离子等）。吸水后的纳米纤维表面形成几个纳米的水层，是理想的离子传输通道。当纳米纤维气凝胶材料被湿气穿过时，解离下来的离子会从一层向另一层扩散，从而使前后表面产生电势差。该电势差能够引起外接电路中的电子定向移动，从而产生电流。另外，这种生物基湿气发电具有良好的循环稳定性，干燥后再次用于发电不会有明显的性能衰减。
以生物质材料作为一种发电介质，开发具有可持续性、生物相容性和生物降解性，而且更加清洁的生物纳米发电机，有望从潮湿的空气中获得低成本、高效率的电能收集策略：可以方便地积累和存储电能，供小型、可穿戴电子设备使用；也可以通过一些生理过程来驱动生电。例如，植物蒸腾作用、人体呼吸作用，进而用于无源健康传感（例如呼吸频率和强度）等等。
总之，这种生物基湿气发电器件具有简单、有效、可再生、成本低、生物相容高和可生物降解等诸多优点，在新能源、生物医学、微型可穿戴电子等领域具有潜在价值；而且，生物纳米纤维可以利用农林与渔业废弃物为原料制备，可以一定程度上解决能源短缺和环境污染问题，使生物质材料可以作为一种清洁能源得到有效的利用，充分发挥自身价值，非常符合当前社会对能源环境的发展要求。
作者：李明杰、杨伟庆、李朝旭