新型太陽能設備可將臟水變成氫燃料和飲用水

　　研究人員發明了一種漂浮的太陽能裝置，可將受污染的水或海水轉化為清潔的氫燃料和飲用水。由于該裝置可與任何開放式水源協同工作，且無需外部電源，因此可用于資源有限或偏遠地區。

　　光催化水分裂技術可將太陽光直接轉化為可儲存的氫氣，但通常需要純凈水和土地來安裝設備，同時還會產生無法利用的廢熱。由于水是一種寶貴的資源，利用任何未經處理的水源（如河流、海洋、水庫或工業廢水）的光催化裝置將是一種更可持續的選擇。

　　因此，劍橋大學的研究人員從光合作用過程中汲取靈感，創造了一種太陽能裝置，能夠同時利用污染水或海水生產清潔氫燃料和清潔飲用水。

　　該研究的第一作者 Chanon Pornrungroj 說："將太陽能燃料生產和水生產結合在一個裝置中是非常棘手的。太陽能驅動的水分裂（水分子被分解成氫氣和氧氣）需要從完全純凈的水開始，因為任何污染物都可能毒害催化劑或引起不必要的化學副反應。"

　　研究人員希望模仿植物的光合作用能力，但與以往利用潔凈水源生產綠色氫燃料的設備不同，他們希望自己的設備能夠使用受污染的水，從而使其在難以找到潔凈水的地區也能使用。

　　研究報告的合著者阿里芬-穆罕默德-安努阿爾（Ariffin Mohamad Annuar）說："在偏遠或發展中地區，潔凈水相對稀缺，凈水所需的基礎設施也不容易獲得，因此水分裂極為困難。一個可以利用受污染的水進行工作的裝置可以同時解決兩個問題：它可以分水制造清潔燃料，也可以制造清潔飲用水"。

　　他們將一種吸收紫外線的光催化劑沉積在一種吸收紅外線的納米結構碳網上，這種碳網對光和熱都有很好的吸收作用，從而產生光催化劑用來制造氫氣的水蒸氣。經過拒水處理的多孔碳網有助于光催化劑漂浮，并使其遠離下面的水，從而避免污染物干擾其功能。此外，這種結構還能讓裝置利用更多的太陽能量。

　　安努阿爾說："制造太陽能燃料的光驅動過程只使用了太陽光譜的一小部分，還有大量光譜沒有使用。"

　　因此，研究人員在浮動裝置的頂部使用了一層白色的紫外線吸收層，通過水分裂來制氫。太陽光譜中的其余光線被傳輸到裝置底部，使水汽化。研究人員說，這更接近于模仿植物的蒸騰作用，即水在植物體內的流動過程，以及水從葉、莖和花等氣生部分蒸發的過程。

　　Pornrungroj說："這樣，我們就能更好地利用光--我們獲得了用于制氫的水蒸氣，剩下的就是水蒸氣了。我們就真正模仿了真實的葉子，因為我們現在已經能夠將蒸騰作用的過程納入其中。"

　　研究人員利用真實世界的開放水源對他們的裝置進行了測試，包括劍橋市中心坎河的水和造紙業的渾濁工業廢水。在人工海水中，該裝置在 154 小時后保持了 80% 的初始性能。研究人員說，由于光催化劑與水源中的污染物隔離，并保持相對干燥，因此該裝置可以保持其運行穩定性。它對污染物的耐受性很強，而且浮動設計使基底可以在非常渾濁或泥濘的水中工作，因此這是一個用途廣泛的系統。

　　研究人員認為，他們的設備有可能解決可持續發展和循環經濟問題。

　　這項研究的通訊作者 Erwin Reisner 說："我們的設備仍然只是一個原理驗證，但如果我們要發展真正的循環經濟和可持續的未來，我們就需要這些解決方案。氣候危機與污染和健康問題密切相關，開發一種有助于同時解決這兩個問題的方法將改變許多人的命運。"

　　這項研究發表在《自然-水》雜志上。