別光想著用愛發電，用花花草草也行！

人類的科技已經成功地利用多種永續的能源來發電，比如太陽能，風能和潮汐能。這裡我們要說的，是一群突發奇想的科學家試圖用植物發電的故事。不，不是你以為的西瓜電池或者蘋果電池。我要說的是長在土地里的植物，通過捕獲它們代謝過程中產生的電能來進行發電。這些科學家來自荷蘭瓦赫寧根大學（WageningenUniversity & Research，WUR）環境技術系，他們用近10年的時間向世界證明：植物發電可以成為推動能源與環保新思路的一項里程碑式的科技。這還真是：要想富，少生孩子多種樹。

何為植物發電？

植物發電的本質，其實是利用土壤中的微生物進行發電。那麼，為什麼叫植物發電呢，因為發電過程中主要的能源物質，來源於植物光合作用產生的有機物。這些有機物只有很少的部分提供給植物自身的生長，剩下的大部分會通過植物的根系分泌到土壤環境中。而存在於土壤中的一些特定的「產電」微生物，可以有效地利用這部分有機物，經過細胞內部的新陳代謝作用將其氧化，並把該過程中產生的電子通過細胞的呼吸鏈傳遞到細胞外部。如果在土壤中放入電路的陰極和陽極，那麼這些電子最終將被陽極接收，隨後通過外電路傳遞到陰極。在陰極，電子與和空氣中的氧氣結合，外加上來自於陽極的氫質子，最終生成水。整個過程，植物的光合為「產電」微生物發電提供了基本養料，人工的外電路負責收取電能。

植物發電的基本原理圖，圖片來自plant-e 公司簡報（www.plant-e.com）

植物發電有什麼難點？

這樣看來植物發電好像很簡單嘛，是不是只要在公園綠地兩邊插上兩個電極，我們就能用上清潔能源了呢？答案是「NO」。雖然植物發電原理不難，但是要把它從實驗室搬到現實生活中實際應用起來，科學家們需要先解決很多科學技術難題。

首先是產電功率低。作為產電裝置，一個重要的評價指標是產電功率。產電功率涉及到電流和電壓（電功率＝電流×電壓）。在植物發電過程中，電流代表了微生物代謝有機物傳遞電子的能力，電壓則取決於分別在陽極和陰極參與反應的物質。理論上來講，由於發電系統中在陰陽極發生反應的物質是固定的：陽極發生的是有機物氧化的反應，陰極發生的是氧氣的還原反應。因此植物發電的系統中最大的電壓（額定電壓）也是固定的，大約是1.28Ｖ左右。跟電壓不同的是，電流受系統內部的結構、植物及微生物的生長狀態，以及運行條件等多個因素之間共同的制約。不同的植物發電系統，產電電流大小很可能完全不同。所以，植物發電應用到生活中的一個重要前提，就是找到一個合適的植物生長系統，讓電功率達到一定標準。為了方便比較和評價不同的植物發電系統，科學家們使用了電流密度這一概念來合理的評估不同系統的產電能力。一般來講，電流密度是指流過單位有效陽極面積的電流（單位A/m^2）。經過十多年的探索，電流密度從0.05mA/m^2 提升至 2.5 A/m^2，整整50000倍啊！電功率也因此從0.0067 W/ m^2 提高到3.2W/ m^2（由於存在電阻損耗，所以雖然電流密度提高了近50000倍，但整體算下來，功率只提高了500倍）。

植物發電？這可是一種名副其實的「綠色能源」。圖片來自：123RF

其次是電極材料的成本高。上面提到了植物發電系統中需要引進人工的電極材料，這種電極材料在具備良好的導電性能的同時，還需要有很好的微生物相容性能，也就是說電極材料要能夠利於微生物的生長與附著。不然一個電極插下去微生物都死掉了，或者雖然活得好好的但是放出的電子離電極八丈遠，無論哪種情況系統都無法正常發電。目前，最常用的電極材料是碳電極材料，如碳氈，活性炭顆粒等。為了保證能夠有效的收集電流，需要用一些貴金屬導線（如金或鉑，也就是黃金和白金）將這些碳電極與外電路鏈接。這些貴金屬的使用不但大大提高了植物發電系統的成本，也同時帶來了環境污染和潛在的生態危害。怎麼解決這些問題，也是推廣植物發電過程中最需要關注的。

第三是如何有效地收集電流。科學家們正在努力挖掘植物發電的產電能力，雖然電功率已經有了近500倍的提高，但是這些電能的利用價值卻並沒有很高。比如給一台Iphone 手機充電（所需功率5W），以最高的產電功率來計算（3.2 W/ m^2）我們至少需要2平方米的陽極材料面積。這麼大的一塊面積，僅僅能充一個手機，要滿足正常的家用電需求貌似是完全不可能的。當然也不能因此就否定植物發電的意義，雖然植物發電產生的功率很微小，但是它卻可以一天24小時不間斷地產電，並不會像太陽能板需要陽光、風車需要有風才能工作。充分利用這一特性，科學家們提出了利用外接電容器收集電流的方式來供電。先把儲存的微小電能積攢起來，隨後利用規模化的電路元器件，轉換為相對高的功率輸出出去。引進電容器在植物發電系統中，為推動植物發電全面大規模實際應用奠定了重要的基礎。

植物發電離我們已經不遠了

瓦赫寧根大學一向鼓勵學生開展創業活動，於是由學校出資為植物發電項目組建了一個小型創業育成公司，名叫Plant-e。如今公司已經開發出的了幾種類型的產品。比如負責教學和創意家居的小玩意兒（a），當然了，由於體積太小它沒辦法提供電能; 還有可以應用於綠屋頂或建築物牆壁的可移動發電模塊（b），鋪一層植物在房頂，冬暖夏涼還省電;以及大型化、便於實際應用的管狀系統，可以為道路兩邊的LED照明燈供電（c）。

（a）發電創意小盆栽（供教學，傢具裝飾等用途）；（b）可發電綠屋頂模塊； (c )管式植物發電系統。該構型適合於在濕地和自然生態系統中的大規模的實際應用。圖片來自plant-e 公司簡報（www.plant-e.com）

這些產品已經推廣至荷蘭的11個城市，Plant-e還特意為瓦赫寧根大學提供了一套供電系統用於校內信息板的照明。該公司下一步的計劃就是要打進中國市場，為構建中國海綿城市提供新的建設思路。也許很快，我們真的可以用公園綠地來發電了。（編輯：婉珺，題圖來自：123RF）

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