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「奈米樹」收成太陽能量將水轉變成氫燃料

UCSD 電機工程師正在建造一座由微小的奈米導線樹(nanowire trees)構成的森林,以便在沒有使用石化燃料的情況下潔淨地捕捉太陽能,並將之收成以產生氫燃料。在 Nanoscale 期刊中報告,這個團隊表示,奈米線(那以豐富的天然材料製成,例如矽與氧化鋅)亦提供一種大規模供應氫燃料的廉價方法。

「這是一種產生潔淨燃料的乾淨方法,」UCSD Jacobs 工程學院,電機與電腦工程系的 Deli Wang(音譯:王德立)教授表示。

根據 Wang 表示,這些奈米樹的垂直結構與分枝是捕捉最大量太陽能的關鍵。那是因為奈米樹的垂直結構會抓住並吸收光,而平坦的表面只是把它反射回去,Wang 同時補充道:那也很像人眼視網膜當中的光受器(體)細胞。在太空中拍攝地球的影像中,光線從平坦表面反射,例如海洋或沙漠比較亮,而森林則顯得比較暗。

Wang 的團隊在其「3D branched nanowire array(3D 分歧奈米導線陣列)」中模仿這種結構,使用一種叫做「光電化學水分離(photoelectrochemical water-splitting)」的製程來製造氫氣。水分離指的是將水分離成氧與氫,以便提取氫氣當燃料使用的過程。此製程使用潔淨能源,且沒有溫室氣體這種副產品。相較之下,目前傳統的製氫方法倚賴來自石化燃料的電力。

「相較於石化燃料,氫因為不會有碳排放而被視為潔淨燃料,但目前所使用的氫是用不乾淨的方式產生的,」 Ke Sun是電機工程博士生,負責領導此計畫。

利用垂直奈米樹結構收穫更多陽光,Wang 的團隊藉此開發出一種比平面相似物更有效率的產氫方法。Wang 亦隸屬於 UCSD 加州電信暨資訊科技研究所(Calit2)以及材料科學與工程計畫。

這種垂直分枝結構亦使氫氣輸出最大化,Sun 表示。例如,在一壺沸水的寬闊平坦表面上,泡泡必定要變大才能抵達表面。在奈米樹結構中,非常小的氫泡泡就能更快被提取出來。「此外,透過這種結構,我們將化學反應的表面積強化了至少 40 萬倍,」 Sun 說。

從長遠來看,Wang 團隊的目標甚至更大:人造光合作用(artificial photosynthesis)。在光合作用中,當植物吸收太陽光時它們亦從大氣中收集二氧化碳與水,以便創造碳水化合物供其生長所需。Wang 的團隊希望模仿這種過程,從大氣中捕捉二氧化碳,減少碳排放,並將之轉換成烴(hydrocarbon,碳氫化合物)燃料。

「我們正試圖模仿植物所做的事,以便將日光轉換成能源,」Sun 表示。「我們希望在不久的將來,我們的『奈米樹』結構最終能成為一種有效率的裝置,進行光合作用時猶如一顆真正的樹。」

該團隊也在研究氧化鋅的替代品,那吸收太陽光的紫外線,不過會有穩定性的問題,影響奈米樹結構的使用壽命。

原始文獻:Ke Sun, Yi Jing, Chun Li, Xiaofeng Zhang, Ryan Aguinaldo, Alireza Kargar, Kristian Madsen, Khaleda Banu, Yuchun Zhou, Yoshio Bando, Zhaowei Liu and Deli Wang.  Nanoscale, 2012, 4, 1515-1521   doi: 10.1039/C2NR11952H

資料來源:PHYSORG:Nanotrees harvest the sun’s energy to turn water into hydrogen fuel[March 7, 2012]

轉載自only-perception

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