福建农林大学「国家杰青」团队，利用“荷叶”，发了一篇Nature大子刊！

利用荷叶蒸腾作用发电！

水力发电技术通过捕获固体表面与自然界中水分子（如雨滴、波浪、大气水分和蒸发）之间的相互作用产生能量，具有可持续性和环境友好性，引起广泛关注。然而，传统装置需定期供水，限制了其实际应用。蒸腾作用作为植物的生命引擎，通过自然的水文循环过程收集太阳能提供的蒸发潜热，是陆地上最大的水通量之一。相比于物理蒸发，蒸腾作用更加复杂，植物内的电解质可能通过水循环促进发电，展示了利用植物蒸腾能量满足能源需求的巨大潜力。

在这里，福建农林大学周顺桂教授课题组展示了一种使用荷叶的活叶蒸腾发生器，能够通过叶子蒸腾作用直接收获潜在能量。叶片蒸腾发生器实现了全天持续发电，开路电压为0.25V，短路电流为50nA，串联或并联可有效放大。偏最小二乘路径模型分析表明，发电量的提高归因于蒸腾速率、气孔电导率和温度的提高，而相对湿度的增加则具有相反的作用。这项研究不仅揭示了叶子蒸腾作用前所未有的水电效应，而且还为通过广泛的叶子蒸腾现象推进绿色能源技术提供了新的视角。相关成果以“Hydrovoltaic electricity generation induced by living leaf transpiration”为题发表在《Nature Water》上，Qichang Hu为第一作者。

周顺桂教授

LTG 的制造和电输出性能

为了研究植物蒸腾发电的潜力，本研究选取蒸腾强度高的荷叶作为模型，设计了活体蒸腾发电装置（LTG）。该装置利用钛网状电极作为阴极，钛针电极插入荷叶茎部作为阳极（图1a）。在发电过程中，荷叶通过调节气孔开合引发水分流动，产生电势差，从而发电。在自然条件下，LTG 产生约0.28V的开路电压（Voc）和50nA的短路电流（Isc）。测试表明，LTG的性能随电极距离、电极数量和茎直径等因素变化。该装置在35小时的户外测试中，电流和电压随环境温度和湿度变化显著，昼间电流高达40nA，夜间降至24nA（图1d-f）。实验表明，荷叶的自然蒸腾效应能够持续驱动发电，展示了基于植物蒸腾发电的潜力。

图1：LTG装置结构示意图及发电性能

蒸腾驱动发电的验证

为验证LTG的发电是由荷叶蒸腾作用直接驱动的，本研究设计了三个实验评估不同条件下的电压和蒸腾速率。首先，通过切割荷叶茎观察到，蒸腾速率从2.3 mmol m−2 s−1逐渐下降至0.1 mmol m−2 s−1（图2a），相应地，电压也从0.2V降至接近0V（图2b），表明水分输送的中断导致了电压下降。其次，通过喷洒蒸腾抑制剂（腐殖酸）或物理覆盖透明胶带，抑制了蒸腾速率，导致LTG的电压显著降低（图2c-f）。这些实验表明，LTG的电压输出与叶片蒸腾强度密切相关。

图2：蒸腾发电验证实验

LTG发电量的影响因素

研究表明，荷叶的蒸腾作用是LTG发电的主要驱动力，且其发电性能受多种因素影响。结果显示，LTG的开路电压(Voc)随着蒸腾速率和气孔导度的增加而上升（图3a、b），同时，温度升高也会增强Voc（图3c）。然而，相对湿度的增加则会降低电压输出（图3d），因为湿度的增加减弱了叶片内外的水蒸气压差，降低了蒸腾作用。通过偏最小二乘路径模型分析，发现环境温度、蒸腾速率和气孔导度对发电有正向影响，而相对湿度有负向影响，其中蒸腾速率对输出功率的影响最为显著（图3f）。

图3：影响LTG电输出的因素

LTG装置的发电机理

研究提出了一种基于荷叶蒸腾作用的LTG发电机制（图4a）。发电主要由流动势和蒸发势驱动。荷叶叶片的多孔结构为带电水分子和离子的转移提供了通道，离子在蒸腾作用的推动下在微通道中移动，产生电势差。随着水从气孔蒸发，阳离子积聚在叶片表面，形成高电势（图4c）。通过SEM观察，荷叶的微孔结构和离子的分布确保了水和离子的高效运输，促进了发电（图4b, d, e）。此外，亲水性官能团的存在增强了水分子与细胞膜的相互作用，进一步推动蒸腾作用（图4h, i）。这些发现表明，叶片的内外部亲水性差异减少了水附着力，促进了水的蒸发和发电。上述实验结果为LTG的发电机制提供了强有力的支持。

图4：LTG装置的工作原理

LTG装置的潜在应用

LTG的实际应用依赖其稳定的电气性能。实验结果显示，70个LTG的电压(Voc)和短路电流(Isc)呈高斯分布，峰值分别为0.18 V和15 nA，表明其重现性良好。通过串联和并联LTG，可以放大电输出性能，14个并联LTG可产生0.2 μA电流，14个串联LTG的Voc峰值达2.8 V（图5a-c）。单个LTG能为电容器充电，串联LTG能为100 μF电容充电至2.4 V，成功为电子设备供电，如电子计算器和电子墨水屏（图5f, g）。此外，实验表明，六种不同植物的LTG均可通过蒸腾作用发电，输出电压与蒸腾速率直接相关，支持植物蒸腾发电在自然界的普遍性。

图5 ：LTG 作为电源的演示

小结

本研究揭示了通过植物蒸腾作用发电的现象，与传统蒸发发电相比，它具有独特优势。蒸腾发电依赖于植物叶子中的水分和离子迁移，不需要额外的人工材料，并且受植物内部生理机制的影响。实验表明，LTG的发电能力与蒸腾速率、气孔导度和环境温度呈正相关，但与湿度呈负相关。尽管输出功率较低，但LTG能将分散的低品质能量转化为电能，为物联网设备提供小型电源。通过串联或并联，LTG可以为电容器和小型电子设备充电，展现出广泛的应用潜力。

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来源：高分子科学前沿

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