En vandrare blir desorienterad när hon är på en ökenvandring när hon stöter på en torkande pöl som lämnats av ett nyligen regn.

Förtärd av törst, mil hemifrån, vandraren måste bestämma sig för att dricka och riskera infektion från vilka bakterier som helst som finns i pölen, eller uthärda uttorkning. Men den vandraren kanske en dag kan dricka bekymmersfri, tack vare en ny typ av vattenrenare som använder solljus och vatten för att producera väteperoxid, ett kraftfullt och vanligt antiseptiskt medel.

Den experimentella vattenrenaren, utvecklad i Xiaolin Zhengs labb, docent i maskinteknik, är en variant av den mer kända processen att använda solenergi för att dela vatten till väte, ett rent brinnande bränsle, och syre, ett livsuppehållande element. Men, som teamet beskriver i journalen Avancerade energimaterial , istället för att helt splittra syre och väte, den nya processen reducerar syre och oxiderar vatten för att producera väteperoxid, eller H ₂ O ₂ .

Även en liten mängd kommer att rena vattnet, hon säger. Väteperoxid desinficerar vatten i en nivå av tiotals delar per miljon. Det är ungefär två matskedar i 25 liter vatten. I tester med kranvatten, Stanford-systemet nådde lätt över 400 delar per miljon av H ₂ O ₂ på fem timmar.

Zheng säger att teamet kommer att behöva ändra en del av materialen i processen för att göra sin blandning av vanligt vatten och väteperoxid säker att dricka. Men de tror att en dag, en person i desperat törst kan dra ut sin lätta solrenare, häll i lite misstänkt H2O och, får tillräckligt med tid, producera tillräckligt med H ₂ O ₂ genom den solaktiverade processen för att förvandla allt färskvatten till en veritabel oas.

Förutom framtida dricksvattenapplikationer, Zheng och Xinjian Shi, doktoranden som leder projektet, Föreställ dig också att deras system kan anpassas till självförsörjande simbassänger renade med solfångad väteperoxid snarare än klor, eller soldrivna vattenreningsstationer för användning i utvecklingsregioner där sötvatten är en värdefull vara.

Gott om råvaror

Prototypen bestod av två elektroder, en anod och en katod, kastas i vatten. Anoden var gjord av vismutvanadat (BiVO4), en ljuskänslig halvledare. Enkelt kol fungerade som katod. När den utsätts för solljus, Vismutvanadathalvledaren skickade negativt laddade elektroner som flödade mot katoden, medan positivt laddade bärare - eller "hål" som de kallas inom fysiken - strömmade tillbaka mot anoden. Flödet av elektroner förvandlade syre till väteperoxid medan hålen verkade för att omvandla vatten till väteperoxid, bildar den renande föreningen vid båda elektroderna.

Det är en ny version av vad som i ingenjörskretsar är känt som ett fotoelektrokemiskt (PEC) system. PEC-system har studerats mycket sedan 1970-talet för deras förmåga att omvandla solljus till bränsle och andra användbara kemikalier, som väte och syre. Tidigare PEC-experiment har producerat väteperoxid men inget av dessa tidigare experiment har varit så framgångsrikt som den nuvarande forskningen.

"Vårt är ett system utan hjälp, "Shi säger, "Det kräver noll energitillförsel och bara ljus, vatten och syre för att arbeta. Vatten är "bränslet" i vårt system. Faktiskt, det fungerar med kranvatten."

Spännande nog, systemet producerar väteperoxid på båda sidor av reaktionen, vid anoden och katoden. I slutet av allt, det finns till och med en liten mängd el kvar, på grund av effektiviteten av de kemiska reaktionerna. Även om det inte är en stor summa, att ytterligare energi kan användas för att tända en LED-lampa som en indikator på att systemet fungerar korrekt, forskarna säger, låta den törstiga ägaren dricka med självförtroende.

"Vi tror att detta är en ny riktning i PEC-vattenklyvning, som vanligtvis kräver ytterligare energiinsatser för att fungera, " säger Zheng.

Arbeta framåt

Forskarna betraktar detta dokument som ett bevis på konceptet och säger att mycket arbete återstår innan väteperoxidproducerande renare kan bli vardagligt. Viktigast, vismutvanadat - anoden - är i sig giftigt och skulle behöva ersättas med ett annat lika ljuskänsligt material.

Dr Samira Siahrostami, en medförfattare på studien och en forskningsingenjör vid SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis i Stanford, valt vismutvanadat som anod för denna prototyp på grund av dess effektivitet och förmåga att generera väteperoxid. Går framåt, forskarna planerar att identifiera andra anodmaterial som är stabila, effektiv och säker för vattenrening.

Zheng och Shi föreslår också att de kan ersätta kolkatoden med ett annat material som också är ljuskänsligt (kol är det inte). En sådan design skulle utnyttja ett större utbud av solljus för att ytterligare förbättra systemets effektivitet.