由美國西北大學領導的研究團隊開發了一種新型燃料電池，從生活在泥土中的微生物中獲取能量。這種完全由土壤供電的技術只有一本標準平裝書大小，可以為精準農業和綠色基礎設施中使用的地下感測器提供燃料。這有可能為電池提供一種可持續、可再生的替代品，因為電池含有有毒、易燃的化學物質，會滲入地下，供應鏈充滿衝突，而且會造成日益嚴重的電子垃圾問題。

美國西北大學的研究人員推出了一種由土壤微生物驅動的燃料電池，其性能大大優於同類技術，並為低能耗設備提供了一種可持續的供電解決方案。燃料電池的3D 列印帽露出地面。蓋子可防止碎屑進入設備，同時確保空氣流通。圖片來源：Bill Yen/西北大學

為了測試這種新型燃料電池，研究人員用它為測量土壤濕度和探測觸摸的感測器供電，這種能力對於追蹤路過的動物非常有價值。為了實現無線通信，研究人員還為土壤供電感測器配備了一個微型天線，透過反射現有的無線電頻率訊號將數據傳輸到鄰近的基地台。

這種燃料電池不僅能在潮濕和乾燥的條件下工作，而且其功率比同類技術高出120%。

這項研究成果將於今天（1月12日）發表在《交互、移動、可穿戴和泛在技術計算機械協會論文集》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies ）上。研究報告的作者還將向公眾發布所有設計、教程和模擬工具，以便其他人可以使用並在此基礎上進行研究。

“物聯網（IoT）中的設備數量不斷增長，”領導這項工作的西北大學校友比爾-顏（Bill Yen）說。 “如果我們想像未來會有數萬億台這樣的設備，我們就不可能用鋰、重金屬和對環境有害的毒素來製造每一台設備。我們需要找到能夠提供低能量的替代品，為分散的設備網路供電。在尋找解決方案的過程中，我們將目光投向了土壤微生物燃料電池，它利用特殊微生物分解土壤，並利用低能量為感測器供電。只要土壤中有供微生物分解的有機碳，燃料電池就有可能永遠持續下去”。

研究的主要作者比爾-顏（Bill Yen）在西北大學實驗室測試時埋入燃料電池。資料來源：美國西北大學

西北大學的George Wells 是這項研究的資深作者，他說：「這些微生物無所不在，它們已經生活在各處的土壤中。我們可以使用非常簡單的工程系統來捕捉它們的電力。我們不會用這種能量為整個城市供電。但我們可以捕獲微量的能量，為實用的低功率應用提供燃料。”

威爾斯是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程系副教授。 Yen 現在是史丹佛大學的博士生，當他還是Wells 實驗室的本科生研究員時，就開始了這個計畫。

近年來，全球越來越多的農民採用精準農業作為提高作物產量的策略。這種技術驅動的方法依靠精確測量土壤中的水分、養分和污染物含量，從而做出提高作物健康水平的決策。這需要一個廣泛、分散的電子設備網路來持續收集環境數據。

Yen說：「如果你想在野外、農場或濕地安裝感測器，你只能在感測器上安裝電池或收集太陽能。太陽能電池板在骯髒的環境中無法正常工作，因為它們會被灰塵覆蓋，在太陽不出來的時候無法工作，而且會佔用很大的空間。電池也具有挑戰性，因為它們會耗盡電力。農民不會在100 英畝的農場定期更換電池或清除太陽能電池板上的灰塵。”

為了克服這些挑戰，威爾斯、Yen 和他們的合作者想知道，他們是否可以從現有環境中獲取能量，也就是從農民正在監測的土壤中獲取能量。

基於土壤的微生物燃料電池（MFC）於1911 年首次出現，其工作原理與電池類似–具有陽極、陰極和電解質。但MFC 並非使用化學物質來發電，而是從細菌中獲取電能，這些細菌會自然地向附近的導體提供電子。當這些電子從陽極流向陰極時，就形成了一個電路。

燃料電池從地下取出進行研究後，被泥土覆蓋。圖片來源：Bill Yen/西北大學

但是，為了讓微生物燃料電池不受干擾地運行，它們需要保持水分和氧氣，而這在埋於地下的乾燥泥土中是很難做到的。

Yen說：”雖然MFC作為一種概念已經存在了一個多世紀，但其不可靠的性能和低輸出功率阻礙了人們對其進行實際應用，尤其是在低濕度條件下。”

考慮到這些挑戰，Yen 和他的團隊開始了為期兩年的開發實用、可靠的基於土壤的MFC 的旅程。他的考察包括創建和比較四種不同的版本。首先，研究人員對每種設計的性能進行了長達九個月的數據收集。然後，他們在戶外花園測試了最終版本。

性能最好的原型既能在乾燥條件下工作，也能在水浸環境下工作。其成功的秘訣是它的幾何形狀。獲勝的燃料電池並沒有採用陽極和陰極相互平行的傳統設計，而是採用了垂直設計。

陽極由碳氈（一種廉價、豐富的導體，可捕捉微生物的電子）製成，與地表水平。陰極由惰性導電金屬製成，垂直置於陽極之上。

雖然整個裝置是埋在地下的，但垂直設計確保了上端與地表齊平。設備頂部有一個3D 列印的蓋子，以防止碎片掉落。頂部的小孔和陰極旁的空氣室可以確保穩定的氣流。

陰極的下端一直深埋在地表之下，確保它能從周圍潮濕的土壤中保持水分，即使地表土壤在陽光下變乾也是如此。研究人員還在陰極的一部分塗上了防水材料，使其在洪水中能夠呼吸。而且，在可能發生的洪水過後，垂直設計還能使陰極逐漸變乾，而不是一下子變乾。

平均而言，所產生的燃料電池所產生的電量是感測器運作所需電量的68 倍。它也足夠堅固耐用，能夠承受土壤水分的巨大變化–從略微乾燥（體積含水量為41%）到完全浸入水中。

研究人員說，他們的土基MFC 的所有組件都可以在當地五金店買到。下一步，他們計劃開發一種由完全可生物降解材料製成的土基MFC。這兩種設計都繞過了複雜的供應鏈，避免了使用衝突礦產。

“透過COVID-19大流行，我們都熟悉了危機是如何擾亂全球電子產品供應鏈的，”該研究的合著者、前西北大學教師、現任職於佐治亞理工學院的喬賽亞-赫斯特（ Josiah Hester）說。 “我們希望製造出使用本地供應鏈和低成本材料的設備，讓所有社區都能獲得運算能力”。 “

編譯來源：ScitechDaily