太阳能“人造叶片”用海水制氢并分解有毒肼

新加坡南洋理工大学（NTU）的研究人员制造出一种太阳能驱动的装置，能够利用海水产生氢气，同时分解肼——一种剧毒的工业废水污染物。这项研究发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

研究团队将这一概念验证设计称为“人造叶片”：它把微型太阳能电池、电解槽和废水处理系统集成在一个装置中。其灵感来自真实的叶片，叶片利用阳光驱动化学反应。

一个装置解决两个问题

测试中，该装置稳定运行超过72小时，产氢速率为每小时每平方厘米466微摩尔。在另一项实验中，更大的版本在约30小时内将受污染水中的肼浓度从0.5摩尔（按重量计约1.6%）降至十亿分之0.5。这比研究人员引用的美国环境保护署十亿分之10的限值低20多倍。

“这种双功能装置代表了环境技术的一次重大飞跃，”研究人员之一黄莉迪亚（Lydia Wong）教授表示。“通过高效利用太阳能来分解有毒的工业污染物，同时获得清洁燃料，我们同时解决了能源问题和污染问题。”

化学原理

电解利用电力将水分解为氢和氧：氢在负极（阴极）生成，氧在正极（阳极）生成。氧气通常只是被释放掉，因此大量能量被用于生产一种“废弃”产物。海水作为原料很有吸引力，因为它储量丰富，但其中的氯化物会腐蚀电极，并可能引发产生有毒氯化合物的反应。

南洋理工大学团队用肼的分解取代了阳极的产氧反应。一种特殊的催化剂将肼转化为氮气，同时还会产生额外的氢气。分解肼所需的能量远低于产生氧气，因此阴极产氢的能效更高。该催化剂含有铁、钴和铬，使其耐腐蚀，并有助于抑制有毒的氯化合物。

可自行供电的钙钛矿阴极

阴极由铅卤钙钛矿制成，这是一种吸收光并将其转化为电能的半导体。这使装置无需外部电源即可运行。钙钛矿容易受到湿气和刺激性化学品的损害，因此研究人员用含银和铜颗粒的导电环氧树脂层以及一层钛箔对其加以保护，钛箔能阻挡水分，同时允许电荷通过。钛表面还涂覆了一层薄薄的铂，以帮助产生氢气。

测试条件与结果

该装置被放入添加了肼的模拟海水和真实海水碱性溶液中，在强度相当于晴天阳光的人工光照下运行。在两种情况下，它在没有外部电力的条件下都产生了约每平方厘米25毫安的光电流密度，这是铅基钙钛矿光阴极已报道的最高值之一。在肼测试中，团队将光阴极的面积从0.56平方厘米扩大到6.25平方厘米。他们还在户外自然阳光下运行了这片“叶片”，看到了氢气和氮气气泡的形成，表明它可以在实验室照明之外工作。

这些结果来自实验室原型，而非商业系统。更多内容请见我们的科技版块。