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酵素引擎,燃料電池科技新方向

Original publish date:Nov 12, 2007

編輯 Lucas H. C. Chao 報導

 

能源危機、全球暖化,此類議題逐漸被世人廣泛討論,如何發展一個新的能源使用形式,降低對石油的依賴並且對環境造成的污染也可降至最低,一直是科學家努力的方向。其中,燃料電池科技一直被視為重點發展的領域,尤其是氫氣燃料電池。氫氣的氧化反應其每單位分子量所生成的能量比為所有已知反應中最高的,因此被視為發展重點。過往對於氫氧燃料電池的核心,催化劑本身的材料研究,大多以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴重金屬作為研究材料。由於此類金屬在催化氫氣氧化的反應過程中,過度的氧化還原會因為系統中含有氧氣等小分子使得催化劑本身逐漸失去活性。(註一)因此,如何改善這些缺點進而應用在燃料電池科技上,一直是科學家們努力的方向。Karyakin等人利用氫化酵素(Hydrogenase)製作成電極,並對其電化學的特性加以測量,發現其發電的效率與現今使用的鉑(Pt)電極相比不相上下。此結果發表於近期的Angewandte ChemieInternational Edition.。

由於鉑(Pt)、鈀(Pd)金屬昂貴且不易取得的缺點,科學家們朝向開發、尋找新型能源使用材料。其中氫化酵素是一個不錯的選擇,氫化酵素主要存在於一些遠古細菌(Archaebacteria)中,它主要的功用是將氫氣做可逆的氧化還原反應,藉以調控生物體中質子的含量,進而調控許多代謝反應。例如甲烷生成、光合作用等等需要質子的代謝反應。氫氣行氧化反應時,氫氣可經由酵素做異相裂解反應,產生兩當量質子與兩當量的電子。(註二)

Karyakin等人利用氫化酵素製成電極並對其電化學特性加以測量發現其效率相近於以鉑(Pt)金屬為基材的電極。由於一般氫氣來源中常有CO、H2S等不純物,可致使鉑(Pt)電極失去活性,Karyakin等人將酵素電極對氧氣、CO、H2S的耐受程度做了測試,發現酵素電極雖然會因為這些小分子不純物的存在而使得活性降低,但是再通入氫氣則可逆回具有活性的形式。另外,也對其在含氫氣及氧氣的環境中做酵素電極的功能探討,發現在氫氧混合的環境中,酵素電極依然具有功用。而這樣的環境條件已相當接近於我們一般可使用的條件,對於氫氧燃料電池的研究是一個相當大的突破。

Karyakin的實驗室進行這個題目已相當久的一段時間,整個燃料電池科技牽涉的相關技術是相當廣泛且複雜,核心催化劑的選用、介電層材料的選擇、整體燃料電池的設計,甚至整個供輸系統的建立,都還需要很深入的研究。

 

註一:Science 2007, 315, 172-172, Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 61-63
註二:Coord. Chem. Rev. 2000, 206-207, 533-561

原始論文:
Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7244-7246

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