台灣過濾與分離學會電子報2023年第22期

研究新知

◎ 太陽能運作裝置將髒水轉化為氫燃料和飲用水

        英國劍橋大學的研究人員研發了一種漂浮的太陽能裝置，將受汙染的水或海水轉化為乾淨的氫燃料和飲用水。由於它適用於任何開放水源並且不需要外部電源，因此該設備可以在資源有限或偏遠的地方使用。

整合氫氣析出和清潔水生產的室外裝置

        光催化水分解將陽光直接轉化為可儲存的氫氣，但通常需要純淨水和土地來安裝工廠，同時產生無法利用的廢熱。由於水是寶貴的資源，使用任何未經處理的水源(例如河流、海洋、水庫或工業廢水)的光催化裝置將是更永續的選擇。因此，劍橋大學的研究人員受到光合作用過程的啟發，研發了一種太陽能設備，能夠同時從汙染的水或海水中生產清潔的氫燃料和乾淨的飲用水，經過測試，它能夠從高度汙染的水、海水，甚至劍橋市中心的卡姆河中產生乾淨的水。

        這項研究運用光熱-光催化的概念，整合兩種互補的太陽能技術，即用於從水蒸氣綠色生產氫氣的光催化裝置和用於生產清潔水的太陽能蒸汽發生器(solar vapour generator, SVG)，製成混合光熱-光催化劑片(hybrid photothermal-photocatalyst sheet)，將光催化劑(PC)粉末整合在SVG頂部，形成一浮動裝置(SVG-PC)，由於PC頂層對紫外光和SVG對可見紅外光的協同吸收，所得浮板能善用整個太陽光譜。SVG對含水原料的蒸發為PC層提供充足的水蒸氣，進而在不使用犧牲試劑的情況下產生H₂和O₂，剩餘的清潔水蒸氣被冷凝並收集。此方法的獨特設計是PC (固體)僅與水蒸氣、H₂和O₂ (氣體)相互作用，PC與下方溶液完全分離，提高物理分離的PC對各種溶解物的穩定性和惰性，可以在面臨水和土地短缺的地區達到離網綠色能源和清潔水生產。

用於太陽能水分解和淨化的混合SVG-PC板的架構。a SVG-PC片的設備結構與工作原理圖示。b, c照片顯示用鑷子夾住的 SVG-PC 片的上視圖和側視圖(光敏區域為 1 × 1 cm²)。d用於H₂生產的實驗裝置。E RhCrOx–Al:SrTiO₃ PC和SVG基材的UV-Vis光譜。f用於示範整合水分解和清潔水生產的光反應器示意圖。反應器尺寸為57×57×47 mm³ (寬×深×高)。

        SVG-PC板的組裝是以對水分解高活性的鋁摻雜鈦酸鍶(Al:SrTiO₃)作為UV活性PC材料，吸收邊緣約為380 nm，對應於3.2 eV的能隙。透過含浸將RhCrOx析氫助催化劑負載至Al:SrTiO₃ (RhCrOx–Al:SrTiO₃)上，Cr可阻止O₂到達嵌入的Rh來防止O₂和H₂形成水的逆反應。用於水分解和水淨化的SVG-PC片材的最佳PC粉末負載量為2.0 mg cm^-2，所得的蒸氣生成率為0.95 ± 0.10 kg m⁻²  h⁻¹ (相當於每m2每小時約53 mol蒸氣)。

物理特性和 PC 負載最佳化。a原始Al:SrTiO₃的SEM影像。b所製備的RhCrOx–Al:SrTiO₃的TEM-EDX影像。c所製備的SVG-PC片材的橫截面SEM圖像。d用於H₂釋放的PC負載的最佳化，紅色數據對應於H₂和STH。e SVG 基板和 SVG-PC 片材的太陽能蒸氣生成率和太陽能熱轉換效率，使用純水在AM1.5G照明下分別進行22小時和4小時的光催化和太陽能蒸汽產生測量結果。

        天然海水的平均鹽度為3.1–3.8%，pH值為7.5–8.4，且含有多種離子，因此，海水很少用於使用光伏電解槽、光電化學或光催化裝置的太陽能燃料合成，因其性能會因催化劑毒化和可能的副反應而降低。此研究的的SVG-PC片材在人造海水中的H2析出速率和太陽能製氫(STH)效率分別為17.8 ± 2.2 mmol m^-2  h^-1和0.11 ± 0.02%。對於液相海水裂解，使用SVG-PC獲得的值大約是Glass-PC的三倍，接近化學計量的H2和O2釋放。使用SVG-PC獲得的海水分解率比未經處理的SVG-PC高約2.8倍，每次實驗後從反應器壁收集的冷凝淡化海水的離子濃度遠低於世界衛生組織(WHO)和美國環保署(EPA)制定的飲用水鹽度標準。

用於海水分裂和海水淡化的SVG-PC片材。a沉積在玻璃、SVG或疏水處理的SVG上的RhCrOx–Al:SrTiO₃在純水和海水中的光催化性能。b, c原始 SVG和經過疏水處理的SVG上水滴的接觸角測量。d使用SVG-PC片在人造海水上透過水分解反應產生H2和O2的時間過程。e原始和純化的人造海水的元素含量。f H₂演化和在不同光強度下使用SVG-PC片的STH。g使用SVG-PC片從各種受污染的水原料中析出H₂和STH。光催化和太陽能蒸汽產生測量在AM1.5G下在室溫下進行22小時。

        使用英國卡姆河河水和造紙工業的混濁廢水來評估產氫效率。對於河水，H₂析出速率和STH效率分別為19.8±1.5 mmol m^-2  h-1和0.13±0.01%，表示河水中存在的有機材料和其他汙染物不會影響設備的性能。此外，對於混濁廢水，H₂析出速率和STH效率分別為18.9±0.5 mmol m^-2  h^-1和0.12±0.01%，因此，無論使用何種水，SVG-PC片的性能都相似。

        在純水和海水中評估三種不同的系統(Glass-PC、未經處理的SVG-PC和SVG-PC)的長期穩定性。在人造海水中，Glass-PC和未經處理的SVG-PC的表現遠低於它們在純水中的表現，SVG-PC在海水和純水中的表現相似，即使在人造海水中，該系統在154小時後仍保留了80%的初始性能。因此，經過疏水處理的SVG不僅可以將PC與海水中的污染物分離，而且可以透過保持PC相對乾燥來防止助催化劑溶解。在人工海水中，大片的H₂析出速率和STH效率分別為9.87 mmol m^-2  h^-1和0.063%。

長期穩定性、大規模、整合的SVG-PC裝置。a使用Glass-PC、未經處理的SVG-PC和SVG-PC片從純水和海水中長期釋放H₂。光催化測量在AM1.5G照射下進行，每個週期22小時。b包含25 cm² SVG-PC片和人造海水的組裝反應器的照片。c使用25 cm² SVG-PC片在人造海水上以水分解反應釋放H₂和O₂的時間過程(22小時)。d使用SVG-PC板和河水進行整合H₂析出和清潔水生產的室外裝置。e在模擬和自然陽光下的綜合H₂演化和清潔水生產率。光催化實驗分別在AM1.5G照射和自然陽光下進行4和2小時。

        總體而言，此研究證明全光譜供電的SVG-PC裝置可用於從受汙染的開放水源生產太陽能燃料和清潔水。SVG-PC裝置可避免傳統光催化、光電化學和光伏電解系統從受汙染的原料生產H2會遭受催化劑毒化的問題。當裝置在開放水源上使用，無論是河流、海洋、水庫還是工業廢水，不僅減少對土地和水資源的競爭，且對降低能源生產中的水淨化成本並提供清潔水方面具有巨大的潛力。該研究得到歐盟委員會的Horizon 2020計劃、歐洲研究理事會、劍橋信託基金、馬來西亞國家石油公司教育的贊助和可持續發展物理溫頓計劃的部分支持。

資料來源：

Pornrungroj, C., Mohamad Annuar, A.B., Wang, Q. et al. Hybrid photothermal–photocatalyst sheets for solar-driven overall water splitting coupled to water purification. Nat Water 1, 952–960 (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00139-9

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