研究人员发明了一种漂浮的太阳能装置，可以将受污染的水或海水转化为清洁的氢燃料和饮用水。因为它可以与任何开放的水源一起工作，不需要外部电源，所以该设备可以在资源有限或偏远的地方使用。
研究人员发明了一种太阳能装置，可以将脏水转化为清洁的氢气和水。（图源：Chanon Pornrungroj/剑桥大学）
光催化水分解的过程是将阳光直接转化为可储存的氢气，但通常需要纯净水和土地用于安装工厂，同时还会产生不可用的废热。水是一种宝贵的资源，因此使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个更可持续的选择。
因此，剑桥大学的研究人员受到光合作用过程的启发，发明了一种太阳能装置，能够从受污染的水或海水中同时生产清洁的氢燃料和清洁的饮用水。
该研究的主要作者Chanon Pornrungroj说:“将太阳能燃料生产和水生产结合在一个设备上是很棘手的。”“太阳能驱动的水分解，即水分子被分解成氢和氧，需要从完全纯净的水开始，因为任何污染物都会毒害催化剂或引起不必要的化学副反应。”
研究人员想模仿植物光合作用的能力，但与之前从清洁水源中生产绿色氢燃料的设备不同，他们希望他们的设备使用受污染的水，以使其在难以找到清洁水的地区可用。
该研究的作者之一Ariffin Mohamad Annuar说:“在偏远或发展中地区，干净的水相对稀缺，水净化所需的基础设施也不容易获得，水分解是极其困难的。”“一种可以使用受污染的水的设备可以同时解决两个问题:它可以分解水来制造清洁燃料，也可以制造清洁的饮用水。”
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，这种碳网能很好地吸收光和热，从而产生光催化剂用来制造氢的水蒸气。多孔碳网经过防水处理，有助于光催化剂漂浮，使其远离下面的水，因此污染物不会干扰其功能。此外，这种结构允许设备使用更多的太阳能量。
该装置的构造说明（图源：Pornrungroj等人/剑桥大学）
安努亚说:“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——还有很多光谱没有使用。”
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，通过水分解产生氢气。太阳光谱中其余的光被传送到装置的底部，使水蒸发。研究人员说，这更接近于模仿蒸腾作用，即水分在植物中运动的过程，以及水分从叶子、茎和花等空中部分蒸发的过程。
Pornrungroj说:“通过这种方式，我们可以更好地利用光——我们用水蒸气生产氢气，剩下的就是水蒸气。”“通过这种方式，我们真正模仿了真正的叶子，因为我们现在已经能够融入蒸腾过程。”
研究人员用真实的开放水源测试了他们的设备，包括剑桥市中心的坎河的水和造纸工业的浑浊工业废水。在人工海水中，该装置在154小时后仍保持了80%的初始性能。研究人员表示，由于光催化剂与水源中的污染物分离，并且保持相对干燥，因此该设备可以保持其运行稳定性。
Pornrungroj说:“它对污染物有很强的耐受性，漂浮的设计使基质可以在非常浑浊或泥泞的水中工作。”“这是一个高度通用的系统。”
研究人员表示，他们的设备有潜力解决可持续性和循环经济问题。
该研究的通讯作者Erwin Reisner说:“我们的设备仍然是一个原理证明，但如果我们要发展真正的循环经济和可持续的未来，这些就是我们需要的解决方案。”“气候危机与污染和健康问题密切相关，开发一种可以帮助解决这两个问题的方法将改变很多人的游戏规则。”
这项研究发表在《自然水》杂志上。
