英國太陽能裝置模擬植物光合作用　化污水為氫燃料與飲用水

據澳洲科技媒體《New Atlas》報導，研究人員日前開發出一種漂浮於水面的太陽能裝置，能夠將受污染的水或海水轉換為乾淨的氫燃料和飲用水。該裝置能在任何開放水域中運作，並且不需要外部電源，因此可以在資源有限或偏遠地區使用。

光催化水分解（photocatalytic water splitting）技術能將陽光直接轉換為可儲存的氫，但通常裝設於陸地上，並需要純淨水，過程中更會產生無法利用的廢熱。以水資源的稀缺性而言，發展出能使用任何未經處理水源（如河流、海洋、水庫及工業廢水）的新型光催化裝置將是更永續的方案。

因此，劍橋大學的研究人員在受到光合作用過程啟發之下，打造了一種太陽能裝置，能夠從污水或海水中同時生產乾淨的氫燃料和飲用水。

該研究的主持人Chanon Pornrungroj表示，讓一部裝置同時生產太陽能燃料和水並不容易。他指出，太陽驅動的水分解，即讓水分子被分解為氫和氧，需要使用完全純淨的水，因為任何污染物都可能影響催化劑或引起非預期的化學反應。

研究人員希望模仿植物光合作用的能力，但與以往由乾淨水源產生氫燃料的機制不同，他們希望新裝置運用污水，以便在不易取得淨水的地區使用。

研究人員在能吸收紅外光的奈米結構碳網的上層，使用一種能吸收紫外光的光催化劑，該碳網既能吸收光線也能吸熱，以生成光催化劑產氫所需的水蒸氣。經過防水處理的多孔碳網有助於光催化劑漂浮於水面，並與下方的水隔絕，防止污染物干擾其功能；這樣的配置也有利該裝置使用到更多太陽能。

研究人員指出，製造太陽能燃料的光驅動過程僅使用了太陽光譜的一小部分，還有很多波長的光沒被使用。

太陽能水分解裝置的結構 圖／劍橋大學

因此，研究人員在漂浮裝置的頂部加入一層吸收紫外光的塗層，以進行水分解、產生氫氣。而太陽光譜中的其餘光線則會透到裝置底部，使水蒸發，水蒸氣即成為潔淨水。研究人員表示，這更接近植物水分運動的模擬過程，即水分從植物的葉、莖和花往地面部位移動並蒸發。

研究人員實地利用開放水域進行測試，包括劍橋市中心的河水和造紙業產生的混濁工業廢水。在人造海水中測試，該裝置在154小時後仍正常運作率仍保持在80％。研究人員表示，由於光催化劑與水源的污染物隔離並保持乾燥，使裝置可以維持運作穩定性。

Pornrungroj表示，漂浮的設計使裝置能在陰天或混濁的水中運作。這個系統富有彈性。

該研究的通訊作者Erwin Reisner強調，氣候危機及關於污染和健康的議題密切相關，因此開發出能解決這兩個問題的方案，對許多人而言將是一個改變遊戲規則的關鍵。