福建农林大学周顺桂团队Nature Water：活叶蒸腾诱导发电——揭示植物蒸腾作用的水伏效应
周顺桂团队 环境人Environmentor 2024年09月19日 12:49 江苏
环境人Environmentor分享环境领域内学术进展、热点资讯、招聘信息1226篇原创内容公众号
点击上方蓝字 关注我们
第一作者：胡启昌
通讯作者：周顺桂
通讯单位：福建农林大学
论文DOI：10.1038/s44221-024-00311-9
图片摘要
Hydrovoltaic electricity generation induced by living leaf transpiration
成果简介
近日，福建农林大学周顺桂教授团队在《Nature Water》期刊发表了题为“Hydrovoltaic electricity generation induced by living leaf transpiration”的研究论文。该论文报道了一种基于活荷叶的蒸腾发电机（LTG），可利用植物叶片蒸腾作用的水循环过程直接捕获环境潜热实现持续产电，首次揭示了植物蒸腾作用的水伏效应。研究人员首先通过一系列的产电验证实验设计和原位电学测试，证实了利用植物活叶蒸腾作用诱导发电的可行性。进一步研究表明，植物蒸腾发电性能受其本身生理活动与环境等多因素的影响（如蒸腾速率、气孔开闭状态、温度等），并探讨了植物蒸腾发电的工作机制。最后，通过研究自然界中不同植物的蒸腾产电情况，进一步证明了植物蒸腾产电现象的普适性。鉴于植物蒸腾作用水伏效应的广泛存在，本研究为推进未来绿色能源技术发展提供了新的视角。
引言
水伏技术通过材料界面与水相互作用而生电，利用该技术可从雨滴、波浪、水蒸发和大气湿气等地球水循环过程中捕获能量产生电能，为应对气候、能源和水资源问题提供新途径。自问世以来，水伏技术采用碳纳米管、石墨烯及其氧化物等纳米材料显著提升了各种水伏器件的性能。然而，这些器件都需依赖于各自特定的水补给方式（如保持富水环境或定期进行人工补水），以应对因水分蒸发导致的能量衰减，这限制了它们的实际应用。植物蒸腾作用是陆地表面最大的水通量之一，占地球蒸散发的80%-90%，蕴含着巨大的水伏能量潜力。植物蒸腾作用和纯物理水蒸发都具有水的相变过程，吸收环境潜热（能量最终来源于太阳），因此，理论上蒸腾作用也可与水蒸发诱导发电机(WEGs)一样通过水伏电子器件将蒸发潜热转换为电能。遗憾的是，当前的研究还主要侧重于利用纳米工程手段构建仿蒸腾过程的人工WEGs，通过模拟蒸腾过程来增强或调控产电性能，而对植物蒸腾产电的验证和产电机制反而缺乏深入研究。实际上，植物蒸腾过程不仅受外部环境条件影响，还受到植物本身特性的调节，比纯蒸发物理过程更为复杂。植物内含有电解质等导电物质，也可能参与蒸腾的水循环对发电产生贡献。更重要的是，活体叶片蒸腾是通过植物代谢实现自发的水文循环，完美解决了上述水伏装置对外部水源的绝对依赖。因此，探索植物活叶蒸腾产电过程和工作机制，对于推进生物基水伏的理论认识和实际应用都具有重要意义。
图文导读
LTG的产电性能
研究人员将钛网电极作为阴极紧贴于荷叶片上表面, 钛针电极作为阳极扎入荷叶根茎中, 原位构建一个LTG器件。在温度为36℃和45%的相对湿度的环境中进行电学测试。I-V曲线显示，器件可产生开路电压(Voc)和短路电流(Isc),且两电极之间近似线性的关系表明LTG的电极与叶面接触具有准欧姆特性。连续监测（V-t）表明，LTG的蒸腾速率稳定在~1.5 mmol·m-2·s-1,可持续产电（Voc约0.25 V）。在不同负载电阻下的放电实验表明，LTG的最优输出功率对应的负载电阻约为2 MΩ，表明器件内阻较大。连续负载测试（V-t）显示，输出电压Vload为~80 mV, 输出功率~5 nW, 与I-V测试中最佳功率（Pm）的估算值数量级相当。在户外环境中进行长时间连续测试器件的输出性能（35小时），结果显示，随着白天和夜晚的植物蒸腾速率变化，器件输出电压产生相应变化，表明蒸腾产电性能与蒸腾速率密切相关。
图1 LTG的器件结构示意图和产电性能。 (a) LTG的器件结构示意图。 (b) 在环境温度为36℃, 相对湿度为45% RH的环境下测试的I-V曲线。 (c) LTG连续测试100分钟的Voc和每隔30分钟测试蒸腾速率。 (d) LTG对不同负载电阻放电时的Iload和Vload。 (e) LTG负载2 MΩ并连续测试4000 s的Vload和输出功率。 (f) LTG连续测试35小时的Voc和蒸腾速率。
蒸腾诱导产电的验证
通过设计三种不同的实验条件（切断茎秆、喷洒蒸腾抑制剂和密封叶片表面），验证了LTG的输出电压是由荷叶的蒸腾作用直接导致的。首先，考虑到植物的茎秆是水分运输的重要通道, 因此剪断荷叶的茎秆并测试剪断前后的Voc和蒸腾速率。由于切断了水分传输途径，荷叶为了延缓水分的散失而降低气孔的展开程度，导致叶片的蒸腾速率逐渐降至0，相应的Voc也降低至0 V。研究人员进一步使用蒸腾抑制剂来直接控制气孔的开闭，并测试蒸腾速率和输出电压。在同一荷叶表面区分出a和b两个区域，仅在a区域喷洒抑制剂并同时测试a和b区域的蒸腾速率和电压。实验结果表明区域a的蒸腾速率和电压均低于区域b。最后，通过在荷叶表面贴附透明胶带来彻底封死荷叶气孔，LTG的蒸腾速率和输出电压也降低至0 V。以上实验结果可以直接证实, 荷叶的蒸腾作用是LTG产电的直接驱动因素。
图2 蒸腾发电的验证实验。(a) 活荷叶的蒸腾速率和荷叶剪断茎杆后的蒸腾速率的对比. (b) 活荷叶的茎杆剪断前后的Voc和I-V对比。 (c) 对荷叶表面喷洒蒸腾抑制剂前后的蒸腾速率的对比. (d) 对荷叶表面喷洒蒸腾阻断剂前后的Voc和I-V对比。(e) 在荷叶表面贴敷胶带前后蒸腾速率的对比. (f) 在荷叶表面贴敷胶带前后的Voc和I-V对比。
LTG产电的影响因素分析
上述实验已经验证了LTG的产电能力是由蒸腾作用导致的，而荷叶蒸腾作用的强弱则受多种因素影响。通过控制蒸腾速率和气孔导度，发现输出电压和二者变化呈正相关。植物气孔是叶片与外界进行气体交换的重要通道，气孔导度和蒸腾速率的增大提高了LTG内部的水分和离子的传输速度，进一步提高输出电压。此外，环境温度的升高和相对湿度的降低均会导致叶片内外蒸气压差的变化，进而导致输出电压的升高。偏最小二乘路径建模(PLS-PM)分析结果表明环境温度、蒸腾速率和气孔导度是影响输出功率的正因素, 而相对湿度是影响输出功率的负因素。标准化平均效应表明，环境温度、蒸腾速率和气孔导度对输出功率有明显的直接影响，其中，蒸腾速率对输出功率的影响最为显著。
图3 不同因素对LTG产电的影响。(a)不同蒸腾速率对LTG电压输出的影响。(b)不同气孔导度对LTG电压输出的影响。(c) 不同温度对LTG的电压输出的影响。(d)不同相对湿度对LTG电压输出的影响。(e) PLS-PM表述的温度、相对湿度、蒸腾速率、气孔导度对LTG产电功率的影响。红色和绿色分别表示正负效应，较大的路径系数显示为更大的字体大小和更宽的箭头。(f) 从PLS-PM衍生的标准化直接和间接均值效应。
LTG的产电机制
根据产电因素分析结果提出了LTG的产电机制。荷叶内部的细胞间隙和气孔组成的多孔结构为水分子和离子提供了微通道。可移动的离子（如H+、K+）随着植物蒸腾的水分运动从细胞内部向外扩散至这些微通道。当水分子接触到孔隙结构时, 细胞表面丰富的亲水基团容易与水发生反应并解离, 在细胞膜表面形成负电。在叶片外部与气孔下腔之间的蒸气压差驱动下，水分子向外迁移，同时将自由阳离子带到荷叶表面，形成高电位。由于蒸腾作用使水分被转移到外界环境中, 靠近叶片表面的顶部细胞需通过持续从底部细胞吸水来补充失去的水分。在持续蒸腾的驱动下，这些离子的移动伴随着反向的离子扩散和电场漂移等作用，最终达到动态平衡形成了稳定的电场（见原文图S13）。虽然流动电流产生的现象早已为人发现，但电流生成机制仍未被充分解释。因此，本研究还初步引入了镜像电子模型，以解释LTG中持续电流生成的机制（见原文图 S12）。
图4 LTG器件的工作机制。(a) LTG的蒸腾产电机制图。(b)荷叶叶片内表面（垂直于蒸腾方向）的SEM图像。(c)叶片内表面的局部SEM图像和C、O、K各元素分布图。(d)荷叶茎秆、叶肉和叶片表面的t-plot微孔比表面积。(e) 荷叶茎秆、叶肉和叶片表面的孔径分布情况。（f）用开尔文探针扫描的荷叶表面的静电势图。(g)从静电势图提取的表面势线扫描。(h) 荷叶叶片内部的FTIR和接触角测试结果。 (i) 荷叶叶片内部的XPS测试结果。
LTG的应用潜力
通过串联或并联连接LTG，电输出性能能够得到显著增强。特别是并联连接的电流随LTG数量的增加而成比例上升，14个LTG并联时可产生高达0.2 μA的电流。同样，14个LTG串联时，电压可达到约2.8 V。同时，放大后的LTG实现了为电容器充电并驱动商业电子产品（如点亮了显示“福建农林大学” LOGO的电子墨水屏），展示出该技术的显著应用潜力。此外，本研究还探索14种其它不同品种类型植物的蒸腾产电现象，观察到所有植物叶片蒸腾作用都能诱导发电（见原文图S22）。这些证据有力地支持了基于植物蒸腾的发电现象在自然界中的普遍性，并对实际应用，特别是在满足物联网（IoT）能源需求方面具有深远意义。
图5 LTG作为电源的实际应用潜力。(a)由14个LTG在荷叶表面集成的照片（并联，共享一个阳极电极）。(b) 并联14个LTG的短路电流。(c) 串联14个LTG的开路电压。(d) 1个LTG分别为0.1 μF、0.47 μF、1 μF、2.2 μF、4.7 μF的储能电容充电的V-t曲线。(e) 14个LTG串联为100 μF的储能电容充电的V-t曲线。(f), (g) 由LTG充电的商用电容为电子墨水屏供电。(h)全球植物蒸腾产电和为全球物联网节点设备供电示意图。
‘’
小结
本研究首次提出了一种使用活荷叶制备的LTG装置，证明了植物蒸腾诱导发电的可行性，为揭示植物蒸腾作用的水伏效应提供了直接证据。LTG在蒸腾速率约为1.5 mmol·m-2·s-1时，可持续产生输出电压达0.25 V。此外，LTG的电输出性能可以通过串联或并联线性放大，实现为电容器充电或驱动小型电子设备。PLS-PM模型分析表明，蒸腾产电与蒸腾速率、气孔导度和环境温度呈正相关，与环境湿度呈负相关。基于对多种植物发电能力的全面分析认为，植物蒸腾诱导发电是一个普遍现象且产生电量取决于其蒸腾作用的强度。鉴于植物蒸腾作用的广泛存在及其巨大的能量储备，本研究将为未来绿色能源的发展中提供新的视角。
该研究得到了国家杰出青年科学基金（41925028）、国家自然科学基金（92251301，42377310）、中国博士后科学基金（2024T170148）和福建省自然科学基金 （2022J01154）的资助。