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“光驱动质子泵”将太阳能直接用于海水淡化或更廉价
X-MOL资讯网 / 时间:2018-01-04 08:21:25

  据X-MOL资讯网2017年12月11日讯 地球表面虽然有70%以上面积为水所覆盖,但只有2.53%是人类生存所必需的淡水。据联合国相关机构预计,到2025年,全球将有18亿人口面临绝对缺水的问题,三分之二的人口可能在用水紧张的条件下生活。
  水危机已经严重制约了人类的可持续发展,成为世界上几乎最严重的资源问题。如何更好地利用海洋中大量的水资源来解决缺水问题,是近年来越来越热门的研究方向。
  目前,海水淡化技术按分离过程分类主要有蒸馏法、膜法、电渗析法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。经过将近40年的发展,反渗透膜法海水淡化技术已经相当成熟。陶氏(Dow)、通用电气(GE)等公司已将海水淡化膜商业化,脱盐率高达99.3%,可适应的操作压力范围不断增大,抗污染和抗氧化能力不断提高,该领域是不是已经趋于完美无懈可击了呢?
  近日,美国加州大学尔湾分校(UCI)的谢恩·阿尔多(Shane Ardo)博士课题组在Cell Press旗下的新星、今年9月份正式创刊的Joule杂志上发表文章,认为现有的反渗透膜存在水通量不足、长期耗电量大等问题。研究者认为水是一种“质子半导体”,可以类比传统的电子半导体PN结,设计出光伏驱动的染料敏化双极性离子交换膜,通过“质子分离”过程,将太阳能转化为膜两端的电势差。这样就有希望将太阳能直接用于海水淡化。


谢恩·阿尔多(Shane Ardo)博士(左)和威廉·怀特(William White,本文第一作者)。图片来源:UCI

谢恩·阿尔多(Shane Ardo)博士(左)和威廉·怀特(William White,本文第一作者)。图片来源:UCI


  高效的太阳能电池包含PN结,半导体在受到光照时,由于非对称结构,电子和空穴分离产生电势差。水作为半导体,也可以发生类似的过程。只是此时,电子和空穴分离变成了氢氧根离子和质子分离,随后,利用双极性离子交换膜,可以实现膜两边的电势差。


半导体和双极性离子交换膜的能级示意图。图片来源:Joule

半导体和双极性离子交换膜的能级示意图。图片来源:Joule


  光激发离子分离并产生电流的理论研究可以追溯到上个世纪80年代,然而将其付诸于实际应用的研究却少之又少。研究者将光敏染料嵌在高分子薄膜里,制备了染料敏化双极性离子交换膜。在激光(405 nm)的照射下,质子移动到离子交换膜一端,而氢氧根移动到另一端,并产生平均60mV的电势差(最高可达100mV),电流密度1.86μA/cm2。因此作者称这一过程为“光驱动质子泵(light-driven proton pump)”。


染料敏化双极性离子交换膜。图片来源:Joule

染料敏化双极性离子交换膜。图片来源:Joule

染料敏化双极性离子交换膜的光伏性能。图片来源:Joule

染料敏化双极性离子交换膜的光伏性能。图片来源:Joule


  离子交换膜的制备材料都非常廉价,“只需要常见的聚乙烯塑料、光吸收染料分子和水”,阿尔多博士说,因此“我们的研究结果对直接将太阳能转化为离子电的装置有很大的意义,有希望将该装置应用于海水淡化。”不过,此前也有研究称,应用于海水淡化的电势差最少需要达到200mV。


电化学测试过程示意图。图片来源:Joule

电化学测试过程示意图。图片来源:Joule


  研究者还认为这种技术还有潜力应用于其它的领域,比如人机接口系统等。不过无论哪种应用,都意味着还有更多的工作要做。