剑桥大学Erwin Reisner团队开发了一种由光催化剂（PC）和太阳能蒸汽发生器（SVG）组成的混合装置，用于同时从开放水源中进行整体水分解和水净化。在Nature Water发表题为：“Hybrid photothermal–photocatalyst sheets for solar-driven overall water splitting coupled to water purification”的研究论文。该集成系统太阳能-氢转化效率为0.13±0.03%，水蒸气为0.95 kg m−2 h−1，在海水和其他含水废物流中保持了超过154小时的运行稳定性。研究人员提出了一种新颖的全光谱太阳能利用技术，为解决能源和水资源挑战提供了新的思路。
光催化水分解是一种直接将太阳能转化为化学燃料（如氢气）的技术，它因其环境友好性而成为研究热点。传统的光催化水分解技术在处理含有杂质的水源时，性能和稳定性会大幅下降，即使微量的杂质也可能严重影响系统的寿命和性能，通常需要使用纯净水，这在水资源稀缺的地区不太实际。此外，装置安装需要占用土地，同时产生无法利用的废热。随着全球人口增长、土地使用竞争加剧以及对水和土地稀缺的日益关注， 开发新型光催化系统，能够利用开放水源进行高效水分解和净化，变得尤为重要。
1. 装置设计与功能
要点快读：
1.1 光催化与光热技术的协同作用
在光催化水分解技术中，常规方法主要依赖紫外光来激发光催化剂进行反应，但这忽视了太阳光谱中大部分的可见光和红外光能量。为了充分利用太阳光，研究团队将紫外光活性的光催化剂（RhCrOx–Al：SrTiO3）与多孔碳制成的SVG相结合。SVG能够吸收可见光和红外光并将其转化为热能，从而加热水源形成水蒸气，同时光催化剂利用紫外光将水蒸气分解成氢气和氧气。通过这种光热与光催化的协同作用，设备最大限度地利用了太阳光的全光谱能量，提高了整体能量转化效率。
1.2 物理隔离设计实现了设备的高效运行
光催化剂与液态水直接接触时，水中的杂质容易对催化剂产生毒害作用，严重影响光催化反应的效率和稳定性。为了克服这一问题，研究人员在设计中将光催化剂层与水体隔离，通过SVG产生的水蒸气供给光催化剂进行反应。由于光催化剂只与水蒸气接触，不与液态水中的杂质直接接触，这一设计有效避免了杂质的干扰，极大提高了光催化剂的稳定性和耐用性。实验表明，设备在使用海水等不纯净水源时仍能维持长达154小时的稳定运行，显示出极强的抗污染能力。
图1用于太阳能水分解和净化的混合SVG-PC装置结构
2.关键催化剂
Al这类光催化剂——具有高活性、低成本和易于制备的特点。研究人员通过简单的助熔剂法制备了该材料，并通过负载RhCrOx提升其催化性能。相较于其他复杂或昂贵的光催化材料，Al及其相关衍生物因其简单的合成方法和优良的催化性能，在大规模应用中具有明显的优势。同时，SVG层由多孔碳材料制成，不仅具有良好的光吸收性能，还能够稳定漂浮在水面上，确保设备的持续工作和长期稳定性。
图2物理表征及PC优化
3.SVG-PC系统的测试及构想
在传统的水处理和分解系统中，氢气生产和水净化通常是分开的过程。然而，SVG-PC系统实现了两者的有机结合。SVG不仅为光催化剂提供足够的水蒸气以进行水分解反应，同时剩余的水蒸气经过冷凝后可以作为净化水收集。这一过程既保证了氢气的持续产生，也在运行过程中同步产生了纯净水，大大提高了系统的整体功能性。在实验中，净化后的水符合世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）关于饮用水的标准，这进一步验证了该系统的水净化能力。
实际测试中该系统的太阳能到氢气转化效率为0.13% ± 0.03%，虽然这一效率较当前太阳能转化技术中的最高水平有所差距，但考虑到设备同时进行水分解和净化的双重功能，其效率仍然具有显著意义。这种较高的转化效率得益于光催化剂与SVG的结合，能够充分利用太阳光谱中更多的光能。此外，该系统无需任何额外的能量输入，完全依赖太阳能即可进行氢气生产，这为未来的能源可持续利用提供了新的可能性。研究还提供了一个技术经济分析，显示了与传统PC面板相比，该混合SVG-PC片在现实场景中具有潜在的经济优势，尤其是在水净化成本和土地使用成本较高的地区。
图3 SVG-PC系统性能测试
这项研究通过创新性的光催化与光热技术的结合，提出了一种高效、稳定且具有成本效益的太阳能驱动水分解与水净化系统。该设备在利用太阳光谱的全光谱能量进行氢气生产的同时，也能够同步实现水的净化。此外，该研究还提出了将该概念扩展到其他光催化和光热材料的可能性，并探讨了在更大规模上应用该设计的可能性，以及在干旱地区使用类似系统进行大气水收集的潜力，为解决全球能源和水资源问题提供了新的技术思路。
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