一种用于耦合海水分解与淡化的不对称光热平台

将海水变成燃料和淡水

沿海地区拥有大量海水资源，但这种含盐资源很难直接用于饮用或作为清洁燃料来源。本研究展示了一种同时实现两者的方法：使用阳光，通过一个涂有精细调控材料的简单浮动装置，从海水中提取氢燃料和可饮用水。

为何使用海水与阳光

氢气常被宣传为清洁燃料，但其制备过程仍可能依赖化石燃料或珍贵淡水。用阳光分解海水可以减轻淡水供应压力并降低排放，但海水中的盐分和其它离子往往会腐蚀常见催化剂并减缓反应。石墨样碳化氮是一种黄色的碳基固体，在咸水中已优于许多材料，然而它仍然浪费大量入射光能，并且活性位点不足以高效制氢。

设计更好的单原子催化剂

研究人员通过设计一系列催化剂来解决这一问题：将单个钴原子以不同方式锚定在碳化氮表面。他们制备了三种构型：围绕钴的对称四氮笼、位于空位处的三氮位点，以及邻近缺碳的非对称四氮位点。最后一种设计称为CoSA-hCN，它重塑了钴与周围碳化氮之间的电子共享方式。先进的显微与光谱表征表明钴以孤立原子形式存在，且附近的碳空位打破了局部结构对称性，产生更多未配对电子并为电荷在材料中传输提供更佳通道。

不对称性如何提升制氢

团队将实验与计算模拟结合，观察这些微小结构调整如何改变性能。光学测量显示CoSA-hCN抑制了碳化氮的常见光致发光，这表明光激发电荷不易复合，更有可能驱动化学反应。时间分辨测试显示电荷迁移更快，电化学数据则表明电阻更低、电流密度更高。在可见光照射下，CoSA-hCN在人工海水中制氢量是另外两种构型的三到四倍。它还促进铂纳米颗粒的均匀生长，铂作为高效助催化将质子转化为氢气。计算与离子吸附研究表明，非对称结构对带正电的海水离子吸附亲和力大于对氯离子的吸附，这有助于将电荷引导到有利方向并限制腐蚀性副反应。

一个可同时制燃料与淡水的浮动海绵

为超越实验室小型电池，作者将最优催化剂涂覆在商业海绵上，使其漂浮在海水表面。阳光既驱动光催化反应，又轻微加热海绵表面，这加速了反应并在界面处促使海水蒸发。在覆盖的容器中，洁净蒸汽在冷表面凝结并被收集为淡水，同时氢气在催化层处形成气泡。在标准日照下、面积为60平方厘米的海绵平台上，该系统在人工海水和天然海水中均表现出强劲的产氢能力与较高的海水蒸发速率。收集到的水在关键盐类含量方面符合国际指南，且催化剂在重复实验中保持稳定。

这对未来沿海能源意味着什么

通过精确布置单个钴原子及其附近的空位，研究展示了原子尺度的不对称性如何控制电荷运动、管理咸水离子并支持高效制氢。当这种定制材料与简单的浮动光热海绵结合时，就形成了一个紧凑的平台，能直接部署在真实海水上，同时产生氢燃料和清洁水。尽管这还不是商业化系统，但它为未来面向沿海和干旱地区的太阳能装置提供了设计原则，有助于同时应对能源与淡水需求。

太阳能驱动的海水转换器

引用: Lin, J., Xu, H., Tian, W. et al. An asymmetric photothermal platform for coupled seawater splitting and desalination. Nat Commun 17, 4503 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71139-y

关键词: 海水分解, 制氢, 淡化, 光催化剂, 碳化氮