南洋理工大学的研究人员制造出一种太阳能驱动的人造树叶，它能从海水中产生氢气，同时分解工业废水中的有毒污染物肼。
为什么海水硬度高
大多数电解槽处理的是纯净的淡水。海水虽然储量丰富，但其中的盐分会带来诸多问题。当电流通过海水时，氯离子容易生成具有腐蚀性和毒性的氯化合物。
这些化合物会腐蚀电极，并产生自身的废物问题。因此，从海水中制氢通常需要先进行昂贵的脱盐处理，或者使用耐腐蚀的电极。
对于计划在干旱沿海地区（包括澳大利亚部分地区、中东和北非）建设的氢能中心而言，淡水供应已是一个令人担忧的问题。直接利用海水可以缓解这一压力。这也适用于新加坡等岛屿国家，这些国家虽然制定了国家氢能战略，但淡水资源有限。
南洋理工大学的设计巧妙地避开了这些问题。研究团队在阳极上安装了一种催化剂，可以将肼分解成氢气和氮气。同时，该反应还能抑制氯化合物的生成。
钙钛矿阴极
在器件的另一侧，研究人员利用卤化铅钙钛矿构建了阴极。这些晶体材料具有良好的光吸收性能，并能以低成本将其转化为电能。过去十年间，它们在太阳能研究领域引起了广泛关注。此外，制造商还可以在低温下通过溶液法制备这些材料，从而降低成本。
在此，钙钛矿光阴极的光电流密度达到了每平方厘米25毫安。光电流密度衡量的是器件单位光照面积产生的电流大小。研究团队表示，这一数值是目前报道的铅基钙钛矿阴极中最高的之一。
该装置在相当于晴朗天气下充足阳光照射的条件下，也能稳定输出超过72小时。同时，其制氢速率与同类太阳能装置相当。
清洁水工作时
由于这片叶片无需外部电压即可运行，因此它是自供电的。简而言之，仅靠阳光就能驱动这两个反应，无需从电网或电池获取任何电力。在测试中，它在大约30小时内将肼的浓度降低到十亿分之一以下。实际上，该装置几乎完全去除了测试溶液中的污染物。
肼广泛应用于工业生产，包括化学制造，也可用作火箭推进剂。它对人类和水生生物有毒，因此含肼废水需要谨慎处理。如果有一种装置能在燃料生产过程中去除肼，就能将处理成本转化为一笔可观的收益。
创新背后的研究人员。左起：南洋理工大学材料科学与工程学院的Stener Lie博士、Anupam Sadhu博士、Lydia H. Wong教授和Hao Zhe Chun博士。图片来源：新加坡南洋理工大学
规模化前的障碍
这些结果尚属实验室规模，许多重要问题仍未解决。钙钛矿材料存在一个已知的弱点：暴露于潮湿、高温和长时间光照下会发生降解。对于这类材料而言，能够稳定运行三天已属不错，但商业系统需要运行数年之久。
铅的使用也引发了人们对任何设计用于浸水设备的担忧。工程师需要证明这种材料能够长时间保持密封状态。此外，将小型实验室电池放大到大型面板通常会降低效率。
尽管如此，这项研究仍然丰富了直接太阳能制氢的方法，包括利用层状太阳能材料加速水分解。对于沿海工业区而言，利用海水制氢并同时处理污水，无疑是一个极具吸引力的组合。下一步是验证该概念在实验室外的实际环境中是否有效。
