人类的科技已经成功地利用多种永续的能源来发电，比如太阳能，风能和潮汐能。这里我们要说的，是一群突发奇想的科学家试图用植物发电的故事。不，不是你以为的西瓜电池或者苹果电池。我要说的是长在土地里的植物，通过捕获它们代谢过程中产生的电能来进行发电。这些科学家来自荷兰瓦赫宁根大学（WageningenUniversity & Research，WUR）环境技术系，他们用近10年的时间向世界证明：植物发电可以成为推动能源与环保新思路的一项里程碑式的科技。这还真是：要想富，少生孩子多种树。

何为植物发电？

植物发电的本质，其实是利用土壤中的微生物进行发电。那么，为什么叫植物发电呢，因为发电过程中主要的能源物质，来源于植物光合作用产生的有机物。这些有机物只有很少的部分提供给植物自身的生长，剩下的大部分会通过植物的根系分泌到土壤环境中。而存在于土壤中的一些特定的“产电”微生物，可以有效地利用这部分有机物，经过细胞内部的新陈代谢作用将其氧化，并把该过程中产生的电子通过细胞的呼吸链传递到细胞外部。如果在土壤中放入电路的阴极和阳极，那么这些电子最终将被阳极接收，随后通过外电路传递到阴极。在阴极，电子与和空气中的氧气结合，外加上来自于阳极的氢质子，最终生成水。整个过程，植物的光合为“产电”微生物发电提供了基本养料，人工的外电路负责收取电能。

植物发电的基本原理图，图片来自plant-e 公司简报（www.plant-e.com）

植物发电有什么难点？

这样看来植物发电好像很简单嘛，是不是只要在公园绿地两边插上两个电极，我们就能用上清洁能源了呢？答案是“NO”。虽然植物发电原理不难，但是要把它从实验室搬到现实生活中实际应用起来，科学家们需要先解决很多科学技术难题。

首先是产电功率低。作为产电装置，一个重要的评价指标是产电功率。产电功率涉及到电流和电压（电功率＝电流×电压）。在植物发电过程中，电流代表了微生物代谢有机物传递电子的能力，电压则取决于分别在阳极和阴极参与反应的物质。理论上来讲，由于发电系统中在阴阳极发生反应的物质是固定的：阳极发生的是有机物氧化的反应，阴极发生的是氧气的还原反应。因此植物发电的系统中最大的电压（额定电压）也是固定的，大约是1.28Ｖ左右。跟电压不同的是，电流受系统内部的结构、植物及微生物的生长状态，以及运行条件等多个因素之间共同的制约。不同的植物发电系统，产电电流大小很可能完全不同。所以，植物发电应用到生活中的一个重要前提，就是找到一个合适的植物生长系统，让电功率达到一定标准。为了方便比较和评价不同的植物发电系统，科学家们使用了电流密度这一概念来合理的评估不同系统的产电能力。一般来讲，电流密度是指流过单位有效阳极面积的电流（单位A/m^2）。经过十多年的探索，电流密度从0.05mA/m^2 提升至 2.5 A/m^2，整整50000倍啊！电功率也因此从0.0067 W/ m^2 提高到3.2W/ m^2（由于存在电阻损耗，所以虽然电流密度提高了近50000倍，但整体算下来，功率只提高了500倍）。

植物发电？这可是一种名副其实的“绿色能源”。图片来自：123RF

其次是电极材料的成本高。上面提到了植物发电系统中需要引进人工的电极材料，这种电极材料在具备良好的导电性能的同时，还需要有很好的微生物相容性能，也就是说电极材料要能够利于微生物的生长与附着。不然一个电极插下去微生物都死掉了，或者虽然活得好好的但是放出的电子离电极八丈远，无论哪种情况系统都无法正常发电。目前，最常用的电极材料是碳电极材料，如碳毡，活性炭颗粒等。为了保证能够有效的收集电流，需要用一些贵金属导线（如金或铂，也就是黄金和白金）将这些碳电极与外电路链接。这些贵金属的使用不但大大提高了植物发电系统的成本，也同时带来了环境污染和潜在的生态危害。怎么解决这些问题，也是推广植物发电过程中最需要关注的。

第三是如何有效地收集电流。科学家们正在努力挖掘植物发电的产电能力，虽然电功率已经有了近500倍的提高，但是这些电能的利用价值却并没有很高。比如给一台Iphone 手机充电（所需功率5W），以最高的产电功率来计算（3.2 W/ m^2）我们至少需要2平方米的阳极材料面积。这么大的一块面积，仅仅能充一个手机，要满足正常的家用电需求貌似是完全不可能的。当然也不能因此就否定植物发电的意义，虽然植物发电产生的功率很微小，但是它却可以一天24小时不间断地产电，并不会像太阳能板需要阳光、风车需要有风才能工作。充分利用这一特性，科学家们提出了利用外接电容器收集电流的方式来供电。先把储存的微小电能积攒起来，随后利用规模化的电路元器件，转换为相对高的功率输出出去。引进电容器在植物发电系统中，为推动植物发电全面大规模实际应用奠定了重要的基础。

植物发电离我们已经不远了

瓦赫宁根大学一向鼓励学生开展创业活动，于是由学校出资为植物发电项目组建了一个小型创业育成公司，名叫Plant-e。如今公司已经开发出的了几种类型的产品。比如负责教学和创意家居的小玩意儿（a），当然了，由于体积太小它没办法提供电能; 还有可以应用于绿屋顶或建筑物墙壁的可移动发电模块（b），铺一层植物在房顶，冬暖夏凉还省电;以及大型化、便于实际应用的管状系统，可以为道路两边的LED照明灯供电（c）。

（a）发电创意小盆栽（供教学，家具装饰等用途）；（b）可发电绿屋顶模块； (c )管式植物发电系统。该构型适合于在湿地和自然生态系统中的大规模的实际应用。图片来自plant-e 公司简报（www.plant-e.com）

这些产品已经推广至荷兰的11个城市，Plant-e还特意为瓦赫宁根大学提供了一套供电系统用于校内信息板的照明。该公司下一步的计划就是要打进中国市场，为构建中国海绵城市提供新的建设思路。也许很快，我们真的可以用公园绿地来发电了。（编辑：婉珺，题图来自：123RF）