南洋理工大學研發太陽能裝置利用海水製氫並分解有毒廢物

新加坡南洋理工大學的科學家們研發出一種太陽能裝置，能夠從海水中產生氫氣，同時分解高毒性的工業污染物肼。研究人員將這一系統描述為一種雙重用途的方法，結合了清潔燃料的生產與廢水處理。該裝置利用陽光產生驅動化學反應所需的電力，靈感來源於葉片捕捉陽光的方式，無需外部電源供應。

氫氣通常通過電解水的方式生產，這一過程中電力使水分子分解為氫氣和氧氣。電子到達陰極（負極），在此幫助形成氫氣。使用海水可以使這一過程更具可持續性，因為無需淡水及額外處理以去除鹽分。然而，海水中含有的氯離子可能會干擾電解過程，並且該過程也可能產生腐蝕性和有毒的氯化合物，損害電極。南洋理工大學的團隊，在材料科學與工程學院的黃麗雅教授的帶領下，通過改變陽極的反應來解決這些問題。

裝置的運作原理

陽極中的催化劑由鐵、鈷和鉻組成，能將肼分解為氫氣和氮氣。由於這一反應所需的能量低於傳統電解水過程中產生氧氣的能量，因此該系統能以較低的能量需求生產氫氣。陽極還在生成額外氫氣的同時，去除了水中的肼。

研究人員利用鉛鹵化物基的鈣鈦礦構建陰極，這是一種能夠吸收陽光並將其轉化為電力的半導體材料。使用含有銀和銅顆粒的導電環氧樹脂，以及鈦箔，來保護陰極免於降解。對模擬和實際海水的測試顯示，該裝置在照射下能夠產生穩定的電流。它達到了 25 mA cm⁻² 的光電流密度，這是測量照射電極區域所產生的電流。該系統在相當於地球表面晴天陽光的照射下持續運行超過 72 小時，並以 466 μmol cm⁻² h⁻¹ 的速度產生氫氣，研究人員表示這一產量與其他太陽能系統相當。

環境技術的重大進步

該裝置還展示了其廢水處理能力。它在水中直接降解肼，無需首先分離污染物。在 30 小時內，系統將肼的濃度從 0.5 M（約佔重量的 1.6%）降低至 0.5 ppb。這一最終濃度遠低於美國環保署允許的 10 ppb 上限的 20 倍以上。「這一雙功能裝置代表了環境技術的一次重大進步。通過高效捕獲太陽能來分解有毒的工業污染物，同時收集清潔燃料，我們正在解決能源問題和污染問題，」黃教授在新聞稿中表示。

「這一突破不僅在於生產太陽能氫氣，更在於展示了一條朝向多功能光電化學系統的實用路徑。這種雙重用途的方法在未來太陽能燃料技術的部署中，經濟價值與環境影響必須攜手並進，將越來越重要。」牛津大學化學系的光化學與可持續能源教授詹姆斯·杜蘭特補充道，他並未參與該研究。

該團隊目前正在開發能針對其他污染物的催化劑，並將廢料轉化為有用產品，包括燃料和工業化學品。該研究發表於《自然通訊》期刊。

多功能光電化學系統的潛力

這項研究的意義在於其創新性地結合了氫氣生產與廢水處理，展示了可持續技術的潛力。隨著全球對清潔能源需求的增加，這種雙重用途的系統不僅能有效解決能源問題，還能處理環境污染，符合當前可持續發展的趨勢。此外，研究團隊對催化劑的持續開發，將進一步擴展其應用範圍，可能對未來的環保技術產生深遠影響。