“光驱动质子泵”，应用于海水淡化？

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。^[1] 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、通用电气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？

陶氏SW30XHR-400i海水淡化反渗透膜。图片来自网络

近日，美国加州大学尔湾分校（UCI）的Shane Ardo博士（点击查看介绍）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。

Shane Ardo博士（左）和WilliamWhite（右，本文一作）。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

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60 mV的电势差（最高可达100 mV），电流密度1.86 μA/cm²。因此作者称这一过程为“光驱动的质子泵（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”，Ardo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。” ^[2] 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200 mV。

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他的领域，比如人机接口系统等。^[2] 不过无论哪种应用，都意味着还有更多的工作要做。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes

Joule, 2017, DOI: 10.1016/j.joule.2017.10.015

导师介绍

Shane Ardo

http://www.x-mol.com/university/faculty/1218

课题组主页

https://www.chem.uci.edu/~ardo/

参考资料：

1. https://www.un.org/waterforlifedecade/scarcity.shtml

2. https://news.uci.edu/2017/11/15/uci-chemists-solar-powered-device-generates-electricity-through-ion-transport/

（本文由小希供稿）