CellPress细胞科学 2026-11-06 06:48:03
物质科学
Physical science
11月2日，福建农林大学周顺桂教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表题为“Lotus-stem hydrovoltaic generators with enhanced ionic conductivity from aligned microchannels and electroactive biofilms”的研究论文。研究团队将莲茎的多孔定向结构与电活性硫还原地杆菌生物膜相结合，构建了高性能的水蒸发发电机LSG-WEG。
文章亮点
莲茎垂直排列的微通道实现水分与离子的定向输运。
电活性生物膜增强离子电导率和电荷传输。
LSG-WEG实现了1.48 V的开路电压，0.3 mA的短路电流和63 μW·cm-2的功率密度，并保持超过30天的稳定输出。
16×16的LSG-WEG集成阵列实现为便携式电子设备供电。
文章简介
水蒸发诱导发电（water-evaporation-induced electricity generation，WEG）能够利用水分自发蒸发过程获取环境中的低品位热能，并为分布式传感器和低功耗电子设备提供能源。由于蒸发过程可在自然环境中持续发生，这类技术在偏远地区、靠近水体且电池更换困难的应用场景中具有潜在价值。然而，现有许多水伏发电机采用随机堆叠的多孔材料，水分子和离子的迁移路径缺乏方向性，容易发生横向扩散和无序散射，增加传输损耗，限制界面电荷分离与收集效率。因此，如何构建连续、定向的水分与离子输运通道，并同时改善器件内部的离子传导，是提升水伏发电性能的关键。
自然界中，大量与植物共生的内生细菌可在多个层面调控植物生理活动，提升水分与养分转运效率，进而促进植物生长发育。受此启发，研究团队将莲茎的多孔定向结构与电活性硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens，G. sulfurreducens）生物膜相结合，构建了高性能的水蒸发发电机LSG-WEG。该设计利用莲茎微通道引导水分和离子定向迁移，同时借助生物膜表面的亲水官能团促进离子生成，并利用其导电特性改善电荷传输。
图1. LSG-WEG的仿生设计原理。
为验证LSG杂化体的结构特征及其对离子传输的促进作用，研究人员对材料的微观结构和化学组成进行了表征。SEM结果显示，莲茎原有的定向微通道结构在处理后仍然保持完整、通畅，G. sulfurreducens则分布于通道表面。LSG杂化体具有较丰富的含氧、含氮官能团，如羟基等亲水性基团。当水分子与这些亲水官能团接触时，相关基团可发生解离，产生可移动离子，从而提高体系内部的离子浓度和电导率。
图2. LSG-WEG的表征测试。
分别测试原始莲茎和LSG-WEG的电学性能，结果表明LSG-WEG具有更高的电压与电流输出。EIS测试表明，LSG杂化体的内部电阻明显降低，说明G. sulfurreducens的引入有助于提高离子传输和电荷传导效率。在优化条件下，LSG-WEG实现了1.48 V的开路电压，稳定的短路电流约为0.3 mA，稳态功率密度达到63 μW·cm-2。器件在30天连续测试中保持0.6–0.8 V的电压输出，电流维持在104–133 μA。
图3. LSG-WEG的产电性能。
为解释器件内部的输运过程，研究团队结合COMSOL多物理场模拟，对水分流动和离子迁移进行了分析。结果显示，莲茎的定向通道能够降低水流阻力、减少水分子横向散射，并为离子提供快速迁移路径；G. sulfurreducens则提高了体系中的可移动离子浓度。通过计算得出LSG-WEG的佩克莱数（Péclet number，Pe）约为1500，表明器件内部离子输运以蒸发驱动的对流为主。在开路状态下，水分蒸发推动阳离子向器件顶部迁移，并与反向扩散及电场驱动的离子迁移形成动态平衡，从而建立两端电势差。当外电路接通时，该电势差驱动电子通过外电路流动，实现电能输出。
图4. Pristine stem、G. sulfurreducens biofilm和LSG-WEG的COMSOL模拟结果对比。
在应用方面，单个LSG-WEG能够为不同容量的商用电容器充电，器件通过串联和并联可实现性能提升。研究团队构建了8×8并联阵列，并进一步集成形成16×16串并联阵列，实现为手机供电；通过多个器件集成还成功驱动了荷花造型夜灯、电子墨水屏和小型计算器。此外，单个LSG-WEG连接场效应晶体管的栅极后，也能够触发开关行为，展示了其在数字电子电路中的潜在应用价值。
图5. LSG-WEG的器件集成与应用演示。
总结
本研究受植物组织与内生细菌协同促进物质运输的自然过程启发，结合莲茎的定向微通道与G. sulfurreducens的电子传导能力，开发了一种高性能的水蒸发发电机LSG-WEG。该研究展示了LSG-WEG在分布式电子设备供能方面的应用潜力，也为改善水伏器件中的水分输运、离子迁移和电荷传导提供了新的设计思路。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请周顺桂教授进行了专访，为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。
周顺桂教授：
这项工作的核心亮点是将莲茎的天然定向微通道与G. sulfurreducens的离子生成和电荷传导功能相结合，构建了高性能的仿生水伏发电机。莲茎通道为水分和离子提供连续的定向输运路径，G. sulfurreducens则提高体系中的可移动离子浓度并降低内部传输阻力。基于这一设计，器件实现了较高的稳态功率输出和30天的连续稳定运行，并通过阵列集成展示了为便携式电子设备供电的潜力。
CellPress：
研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？
周顺桂教授：
研究过程中，我们遇到的主要挑战是如何科学地解释器件的高效产电机制。水蒸发发电涉及水分输运、离子迁移和电荷传导等多个过程，这些过程相互耦合，仅凭实验现象很难全面揭示其内在联系。因此，我们希望结合理论分析与多物理场模拟，从不同层面理解器件内部的传输过程。其中，如何根据实际器件结构建立合理的物理模型，确定适当的模型参数和边界条件，是模拟研究中的一个重要环节。为此，团队在模型构建和结果分析过程中，积极与相关领域的专家和同行交流，就关键参数设置及模拟结果的合理性进行讨论，并结合实验数据不断优化模型，使模拟结果与实际实验现象相互印证。通过这一过程，我们不仅进一步加深了对水伏发电机制的认识，也体会到交叉学科研究中多领域知识融合与团队协作的重要性。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
周顺桂教授：
下一步，我们希望将研究重点更多地转向实际应用，探索水伏发电技术如何真正服务于具体场景。虽然目前我们已经通过器件阵列集成，实现了对便携式电子设备的供电，但要将其应用于实际环境，仍需要进一步提升器件的环境适应性、长期运行可靠性和系统集成能力。未来，我们计划围绕农业物联网、环境监测等应用场景，探索水伏发电机与低功耗传感器、无线通信模块等设备的集成，实现环境蒸发能量的就地收集与利用。同时，也希望通过优化器件结构、阵列连接方式以及储能和能量管理系统，并探索与太阳能、风能等其他能源形式的结合，提高能源供给的稳定性和实用性。我们的目标是推动这项技术从实验室的器件性能验证逐步走向实际应用，为偏远地区和电池维护不便的低功耗设备提供新的能源解决方案。
CellPress：
最后，是否可以与我们分享一下选择Device来发表这个工作的原因？
周顺桂教授：
我们选择Device，主要是因为期刊的定位与本研究的特点和方向非常契合。Device作为Cell Press旗下聚焦器件领域的学术期刊，不仅关注新型器件的设计与构建，也重视器件的性能提升、工作机制及实际应用。本研究涉及仿生结构设计、功能材料协同、器件性能优化和实际应用演示，是一项具有多学科交叉特点的器件研究。我们认为，Device能够为这类融合材料、能源与器件工程的研究成果提供很好的展示平台。同时，Cell Press具有广泛的国际学术影响力和良好的学术传播渠道，有助于让更多不同研究领域的学者了解这项工作，促进相关领域的学术交流与交叉合作。我们也非常感谢编辑和审稿专家在论文评审过程中给予的专业意见和帮助，使这项研究成果得以进一步完善。
作者介绍
林秀钰
博士研究生
林秀钰，福建农林大学机电工程学院2024级博士研究生，入选2025年中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划，发表论文13篇，主要从事生物基水伏电子器件研究。
胡启昌
教授
胡启昌，福建农林大学教授、博士生导师。福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省杰出青年基金获得者、闽江学者（青年）、福建省高层次人才（B类）。主要从事生物基水伏技术、农业传感器与植物胁迫信号智能感知研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等科研项目10余项。以第一或通讯作者在Nature Water、Science Advances、Device、National Science Review、Engineering、Water Research等期刊发表论文40余篇。SCI被引1500余次，H指数24，申请发明专利16件，获授权软件著作权8件。曾获福建省科技进步奖二等奖、福建省教学成果奖二等奖、福建省自然科学百篇优秀学术论文奖等。
周顺桂
教授
周顺桂，福建农林大学副校长、特聘教授（二级），博士生导师。获国家杰出青年科学基金及延续资助，入选国家万人计划创新领军人才。长期从事土壤生物电化学、有机固废生态循环利用基础理论与新技术研究。主持国家自然科学基金13项（包括杰青、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一/通讯作者身份在Nature Water、Nature Communications、Science Advances、Device、EST等期刊上发表论文260余篇，论文SCI他引超30000次，个人H指数95，自2020年起连续入选“中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利80余件、美国发明专利3件。
相关文章信息
研究成果发表在Cell Press
旗下期刊Device上，
▌论文标题：
Lotus-stem hydrovoltaic generators with enhanced ionic conductivity from aligned microchannels and electroactive biofilms
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2666998626002929
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2026.101340
2025年底，Cell Press推出全新高质量开放获取期刊——Cell Press Blue（点击查看）。该期刊致力于发表启发性、突破性的生命科学、物质科学、医学、可持续性及应用科学等领域的前沿创新研究，汇聚全球顶尖科研力量。Cell Press Blue坚持高标准的质量控制，提供高效、个性化的出版服务，助力作者快速发表具有学术价值和产业影响力的研究成果。
CellPress细胞出版社
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发布时间：2026-11-04 17:05:31
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