- 南洋理工大学研发的装置能从海水中产氢气并分解肼。
- 该系统利用阳光驱动化学反应，无需外部电源。
- 装置在水中直接降解肼，浓度降低至安全水平。
- 研究显示该系统在太阳能燃料技术中具经济与环境价值。
新加坡南洋理工大学的科学家们研发出一种太阳能装置，能够从海水中产生氢气，同时分解高毒性的工业污染物肼。研究人员将这一系统描述为一种双重用途的方法，结合了清洁燃料的生产与废水处理。该装置利用阳光产生驱动化学反应所需的电力，灵感来源于叶片捕捉阳光的方式，无需外部电源供应。
氢气通常通过电解水的方式生产，这一过程中电力使水分子分解为氢气和氧气。电子到达阴极（负极），在此帮助形成氢气。使用海水可以使这一过程更具可持续性，因为无需淡水及额外处理以去除盐分。然而，海水中含有的氯离子可能会干扰电解过程，并且该过程也可能产生腐蚀性和有毒的氯化合物，损害电极。南洋理工大学的团队，在材料科学与工程学院的黄丽雅教授的带领下，通过改变阳极的反应来解决这些问题。
装置的运作原理
阳极中的催化剂由铁、钴和铬组成，能将肼分解为氢气和氮气。由于这一反应所需的能量低于传统电解水过程中产生氧气的能量，因此该系统能以较低的能量需求生产氢气。阳极还在生成额外氢气的同时，去除了水中的肼。
研究人员利用铅卤化物基的钙钛矿构建阴极，这是一种能够吸收阳光并将其转化为电力的半导体材料。使用含有银和铜颗粒的导电环氧树脂，以及钛箔，来保护阴极免于降解。对模拟和实际海水的测试显示，该装置在照射下能够产生稳定的电流。它达到了 25 mA cm⁻² 的光电流密度，这是测量照射电极区域所产生的电流。该系统在相当于地球表面晴天阳光的照射下持续运行超过 72 小时，并以 466 μmol cm⁻² h⁻¹ 的速度产生氢气，研究人员表示这一产量与其他太阳能系统相当。
环境技术的重大进步
该装置还展示了其废水处理能力。它在水中直接降解肼，无需首先分离污染物。在 30 小时内，系统将肼的浓度从 0.5 M（约占重量的 1.6%）降低至 0.5 ppb。这一最终浓度远低于美国环保署允许的 10 ppb 上限的 20 倍以上。“这一双功能装置代表了环境技术的一次重大进步。通过高效捕获太阳能来分解有毒的工业污染物，同时收集清洁燃料，我们正在解决能源问题和污染问题，”黄教授在新闻稿中表示。
“这一突破不仅在于生产太阳能氢气，更在于展示了一条朝向多功能光电化学系统的实用路径。这种双重用途的方法在未来太阳能燃料技术的部署中，经济价值与环境影响必须携手并进，将越来越重要。”牛津大学化学系的光化学与可持续能源教授詹姆斯·杜兰特补充道，他并未参与该研究。
该团队目前正在开发能针对其他污染物的催化剂，并将废料转化为有用产品，包括燃料和工业化学品。该研究发表于《自然通讯》期刊。
多功能光电化学系统的潜力
这项研究的意义在于其创新性地结合了氢气生产与废水处理，展示了可持续技术的潜力。随着全球对清洁能源需求的增加，这种双重用途的系统不仅能有效解决能源问题，还能处理环境污染，符合当前可持续发展的趋势。此外，研究团队对催化剂的持续开发，将进一步扩展其应用范围，可能对未来的环保技术产生深远影响。