新型太阳能设备可将脏水变成氢燃料和饮用水

　　研究人员发明了一种漂浮的太阳能装置，可将受污染的水或海水转化为清洁的氢燃料和饮用水。由于该装置可与任何开放式水源协同工作，且无需外部电源，因此可用于资源有限或偏远地区。

　　光催化水分裂技术可将太阳光直接转化为可储存的氢气，但通常需要纯净水和土地来安装设备，同时还会产生无法利用的废热。由于水是一种宝贵的资源，利用任何未经处理的水源（如河流、海洋、水库或工业废水）的光催化装置将是一种更可持续的选择。

　　因此，剑桥大学的研究人员从光合作用过程中汲取灵感，创造了一种太阳能装置，能够同时利用污染水或海水生产清洁氢燃料和清洁饮用水。

　　该研究的第一作者 Chanon Pornrungroj 说："将太阳能燃料生产和水生产结合在一个装置中是非常棘手的。太阳能驱动的水分裂（水分子被分解成氢气和氧气）需要从完全纯净的水开始，因为任何污染物都可能毒害催化剂或引起不必要的化学副反应。"

　　研究人员希望模仿植物的光合作用能力，但与以往利用洁净水源生产绿色氢燃料的设备不同，他们希望自己的设备能够使用受污染的水，从而使其在难以找到洁净水的地区也能使用。

　　研究报告的合著者阿里芬-穆罕默德-安努阿尔（Ariffin Mohamad Annuar）说："在偏远或发展中地区，洁净水相对稀缺，净水所需的基础设施也不容易获得，因此水分裂极为困难。一个可以利用受污染的水进行工作的装置可以同时解决两个问题：它可以分水制造清洁燃料，也可以制造清洁饮用水"。

　　他们将一种吸收紫外线的光催化剂沉积在一种吸收红外线的纳米结构碳网上，这种碳网对光和热都有很好的吸收作用，从而产生光催化剂用来制造氢气的水蒸气。经过拒水处理的多孔碳网有助于光催化剂漂浮，并使其远离下面的水，从而避免污染物干扰其功能。此外，这种结构还能让装置利用更多的太阳能量。

　　安努阿尔说："制造太阳能燃料的光驱动过程只使用了太阳光谱的一小部分，还有大量光谱没有使用。"

　　因此，研究人员在浮动装置的顶部使用了一层白色的紫外线吸收层，通过水分裂来制氢。太阳光谱中的其余光线被传输到装置底部，使水汽化。研究人员说，这更接近于模仿植物的蒸腾作用，即水在植物体内的流动过程，以及水从叶、茎和花等气生部分蒸发的过程。

　　Pornrungroj说："这样，我们就能更好地利用光--我们获得了用于制氢的水蒸气，剩下的就是水蒸气了。我们就真正模仿了真实的叶子，因为我们现在已经能够将蒸腾作用的过程纳入其中。"

　　研究人员利用真实世界的开放水源对他们的装置进行了测试，包括剑桥市中心坎河的水和造纸业的浑浊工业废水。在人工海水中，该装置在 154 小时后保持了 80% 的初始性能。研究人员说，由于光催化剂与水源中的污染物隔离，并保持相对干燥，因此该装置可以保持其运行稳定性。它对污染物的耐受性很强，而且浮动设计使基底可以在非常浑浊或泥泞的水中工作，因此这是一个用途广泛的系统。

　　研究人员认为，他们的设备有可能解决可持续发展和循环经济问题。

　　这项研究的通讯作者 Erwin Reisner 说："我们的设备仍然只是一个原理验证，但如果我们要发展真正的循环经济和可持续的未来，我们就需要这些解决方案。气候危机与污染和健康问题密切相关，开发一种有助于同时解决这两个问题的方法将改变许多人的命运。"

　　这项研究发表在《自然-水》杂志上。