我国西南山区，农村土壤贫瘠、水资源缺乏。各地虽已建立起覆盖面较广的农电网络，但部分偏远村组和农户“电网末梢”吃紧的状况仍未完全得到缓解。
科学研究如何助力乡村振兴？云南大学材料与能源学院教授万艳芬带领的云南大学绿源功能材料团队为此展开了持久探索。近期，他们以作物秸秆为原料，将原料进行碳化后制备出了光热材料，并将材料进行三重仿生设计，研制出了水电联发的清洁能源装置，建立起了循环低碳智慧大棚。
利用秸秆参与水伏发电
(资料图片仅供参考)
2021年，云南省秸秆资源量约1972.08万吨，可收集量1763.91万吨。秸秆主要来自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麦、薯类等作物，其中玉米、水稻、甘蔗秸秆的利用空间巨大。
“基于学科所长，聚焦农业废料再利用，是科研团队致力绿色发展、促进乡村振兴的着力点。”万艳芬说。
近年来，随着纳米材料研究的深入，人们发现部分碳材料在与液体作用时，会表现出一系列新的生电效应，如波动生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等，这些现象统称为水伏效应，这为新型能源开发开辟了新路。
“我们的创新点在于‘水电联发’。”绿源功能材料团队负责人、云南大学硕士研究生赵嵘介绍，他们研发的装置，主要以秸秆碳化后的生物质炭作为涂层材料，其易于与水进行表面耦合，可使水分在材料的纳米微通道中定向渗透，并在静电作用下让水中的正负电荷分离，使上下游产生电势差，从而产生电压。
与此同时，在太阳光的照射下，这种水电联发装置能够将农业废水转换为清洁的农业用水，重金属离子去除率达92%，有效解决了农业废水处理难、部分地区水资源紧缺的问题。
首创智慧大棚植物诊疗平台
云南大学绿源功能材料团队成员由来自材料化工、新能源、信息技术、生物科学、财务管理、视觉设计等领域的数十名研究生组成。
“团队根据水伏净水发电、减污节能这一构想，通过配套太阳能水电联发装置，建成循环低碳智慧大棚，对作物进行精准呵护。”万艳芬说，这样可提高作物产量，增加经济效益。
团队在调研中发现，在云南种植花卉、蔬菜的智慧大棚，多停留在仅能监测棚内环境温度、湿度的阶段，且存在搭建成本高、碳排放量较高但智能化程度较低等问题。“针对这些痛点，我们想何不以作物秸秆为原材料，制备一套水电联发装置，通过太阳能清洁能源，净化农业废水，并给大棚供电？”团队成员罗洪耀说，精准培育循环低碳智慧大棚的理念由此诞生。
团队首次原创制备出柔性传感器件，以及对植物微环境中的气体、温度、湿度进行监测的一体化平台，并通过信息技术对平台数据进行了后端采集，做到植物病虫害实时监测。
“我们与云南大学生态与环境学院合作，开辟了番茄种植园区并进行了一系列试验。”团队成员王学科介绍说，通过在不同状态的番茄叶片上黏附柔性传感贴片，他们发现病变叶片的微环境湿度以及气体释放量与正常叶片均明显不同。
原来，病虫害发生时，被侵蚀叶片的气孔呼吸作用明显下降，气孔开合状态较差，水分以及气体释放量明显下降。基于此，研究团队就可以提前诊断出植株是否正在遭病虫害侵袭。“这时，我们就可以进行人工干预，减少虫害发生。”王学科说，团队整合了各项技术，成功构建了水电联发的植物诊疗一体化大棚监测系统。
据悉，这是国内首家获得专利授权的植物诊疗平台。水电联发装置不仅能对偏远、不适宜布设电网的大棚提供监测设备用电，还能及时控温控水，精准释放农药、化肥，给作物提供精心呵护，实现大棚的自动化、智能化，减少农废污染，增加经济效益，助力低碳农业推进和乡村振兴目标的实现。
技术成果促进绿色发展
水伏发电和智慧大棚不仅能节省人力物力，提高产量，增加经济效益，还能在生产各环节减少环境污染，推动农村发展，助力“绿美乡村”目标的实现，其技术、成本优势对农民更有吸引力。
“涂层材料的原料是从农户那里购买的秸秆，每公斤约0.6元；其他常用的化学原材料从网络渠道购买，整体成本较市场上的各类传感器更加低廉。”罗洪耀介绍，产品主要针对太阳能资源丰富以及电力紧缺的山区农村，目前装置正处于推广阶段。
团队已获得了中国青年创新创业基金会的经费支持，与云南省大理市凤仪镇庄科村以及云龙县团结村签订了合作意向书，提供750套水电联发装置和资金、技术指导，解决当地农废难处理以及用电问题。该团队还与云南省云上小镇创新创业平台合作，进行项目产业孵化，完成了“秸农科学技术开发（昆明）有限公司”的工商注册手续。
“当然，创新创业中我们也面临不少难点。”团队负责人赵嵘说，主要是前期推广投产存在风险与困难，市场份额尚不确定，以及技术与产品知识产权保护等问题。
“这项智慧农业系统的实施，将在西南乡村振兴战略中扮演重要角色。先进技术手段和创新的农业模式将有利于推动农村环境改善和可持续发展。”万艳芬说。后期，团队将以国家标准为引领，向着发展成为智慧农业领域领军企业这一目标迈进。（赵汉斌）
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