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太陽能轉換氫能的重大突破:與石墨烯結合的製氫新技術

PanSci_96
・2020/02/12 ・1642字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 580 ・九年級
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面對全球暖化以及石化能源造成的污染問題,找出新的替代能源是目前全世界最重要的研究課題之一,然而在積極尋求能源多元化的同時,臺灣要如何發展出好的替代能源,亦是備受關注的議題。

突破瓶頸,解決問題:利用光電化學製氫

在目前已知的替代能源當中,便有像是太陽能、風能與地熱等,來自大自然、取之不盡,用之不竭的再生能源。

其中,太陽能雖然被視為最重要的再生能源之一,甚至已被逐漸廣泛應用於日常生活,但它仍舊面臨一個巨大的瓶頸,也就是太陽能無法被儲存,亦即在沒有太陽光照射時,就無法使用。因此科學家致力於有效將太陽能轉換為「燃料 (fuel)」的研究,如此以能夠進行儲存與運輸,並且在任何時候皆可被使用。

圖/Pixabay

與此同時,科學界目前全力發展潔淨能源之一「氫能」,雖然其燃料電池在運作中能夠達到無污染、無廢氣,但在氫氣的製備上具有需要大量電力的成本問題,故科學家著眼於此,再與太陽能無法儲存的瓶頸串連,便成為如今「如何有效地利用太陽能直接將水分解以產生氫氣」的重要研究方向。

就現在而言,最常用於太陽光分解產氫的材料為大家所熟悉的矽材,因為矽材的低能隙可以涵蓋很廣的太陽光譜的吸收,而且也具有容易於市場上取得的優點。然而利用矽來做光分解產氫,也存在著不利的因素,像是矽基板的高反射率與矽在電解液中的不穩定性。

反射率即反映了太陽能被浪費的程度,若有30%的反射率則有30%的太陽能被浪費;而不穩定性則是因為矽會與強酸或強鹼反應,以至於被電解液腐蝕。

光電化學分解水。圖/截自科技部新聞稿簡報

由臺灣大學陳俊維教授、臺灣科技大學黃炳照教授與東海大學王迪彥教授組成的跨校「新世代能源研究團隊」,在科技部計畫的長期支持下,利用實驗室所成長的單原子層材料石墨烯 (Graphene),與具有奈米結構的矽形成具有三維的石墨烯/矽的蕭基界面 (Schottky junction),由於這樣的特殊結構大幅降低了矽的反射率,增加其太陽光吸收效率高達 20%,因此有效將太陽能成功轉換,增加其產氫效能。

石墨烯是自然界目前已知最薄的材料,只有單原子之碳材,其厚度 ~0.34 奈米,約只有頭髮直徑的十萬分之一的厚度。自從其 2004 年被發現之後,已成為當今相當重要的材料之一,並開啟了二維原子層材料的研究領域,此重要發現之科學家,也於 2010 年獲頒諾貝爾物理獎。

石墨烯是由碳原子組成的六角晶格,只有一個碳原子的厚度。圖/AlexanderAlUS, via Wikimedia CommonsCC BY-SA 3.0

此外,雖然只有單原子層之厚度,但石墨烯材料在不論是酸或是鹼的電解液中皆具有非常好的穩定性,能夠大幅改善過去以矽來做光分解產氫時所遭遇的穩定度問題,在矽表面形成一個良好的保護層。

這項以原子層材料與半導體形成新型的潔淨能源元件,將會成為未來在太陽能產氫的應用上一個新的平臺。而陳俊維教授團隊的傑出研究不僅順應國際綠能趨勢,也與政府力推的綠能政策相符,同時相當具有商業上的發展價值。

科技部自然司林敏聰司長(左四)、台灣大學材料系陳俊維教授(右四)、科技部謝達斌次長(右三)、東海大學化學系王迪彥助理教授(右二)與研究團隊合影。圖/科技部

資料來源:

  1. 科技部新聞稿:利用超薄之原子層材料,以太陽光產生潔淨氫能
  2. 維基百科:蕭特基能障蕭特基二極體
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PanSci_96
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為什麼美女常常配醜男?
葉綠舒
・2015/10/21 ・422字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 425 ・四年級
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照片來源:wikipedia
生活在熱帶與亞熱帶森林中的膿皰蟾蜍(túngara frog,Engystomops pustulosus),求偶時母蟾蜍會依據公蟾蜍的叫聲選擇對象。
一般來說,母蟾蜍比較喜歡聲音低沈、叫聲維持的較久的公蟾蜍,但是科學家們發現,當母蟾蜍只能在「帥」(聲音低沈、叫聲維持的較久)與「不帥」兩隻公蟾蜍之間選擇時,母蟾蜍會選「帥」的。
但是,如果放進第三隻公蟾蜍,牠的帥度是介於前面兩位候選人之間時,母蟾蜍竟然改選「不帥」的公蟾蜍了!這個結果大出研究者的意料之外,為什麼會這樣呢?
在人的世界裡,美女往往配醜男,是否也是因為這個原因?
本文轉載自慈大生科 Sci Cafe
參考文獻:A. M. Lea, M. J. Ryan. Irrationality in mate choice revealed by tungara frogs. Science, 2015; 349 (6251): 964 DOI: 10.1126/science.aab2012

 

 

 

 

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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全球暖化,深海海水也會跟著酸化?
活躍星系核_96
・2018/01/13 ・1680字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 560 ・八年級
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  • 中山大學發表以日本海為核心的研究成果。圖/By Chris 73@Wiki

國立中山大學海洋科學系講座教授陳鎮東主導台日合作團隊,發表全球變遷研究「全球暖化將加快深海海水酸化」(Deep oceans may acidify faster than anticipated due to global warming ),登上國際頂尖期刊《自然氣候變遷》(Nature Climate Change)。

本研究以日本海為例,證明暖化可能會加快深海海水酸化。

燃燒化石燃料放出的二氧化碳(CO2,又稱人為CO2)不只是造成全球暖化的溫室氣體,CO2 同時也是種酸性氣體,越來越多 CO2 溶到海水裡,就會造成海水酸化,衝擊著海洋生態的永續發展。

日本海研究,揭發全球暖化造成深海海水酸化

研究團隊成員、國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心助理研究員雷漢杰解釋,以往在大洋觀察到的現象是,表水酸得最快,酸化速度則隨深度增加而減少,在 1000 多米深以下的海水,就已看不出有明顯酸化;但是在日本海,卻有不一樣的情況。

研究團隊重建過去幾十年日本海的海水酸鹼值(pH值),發現日本海 2500 米深的海水,酸化速度竟比表水的快了將近三成,而造成日本海深水酸化的元兇,不是人為排放的 CO2,而是有機質分解釋放出的 CO2

暖化會造成表層海水密度下降而沉不下去更深的地方,海水的上下對流就因此變慢或停下來,但從表水掉到深海的有機質仍舊被微生物分解而放出 CO2,就像食物放久了會「臭酸」一樣,海水的滯留時間越長,就會累積越多的 CO2 而變得越酸。日本海就像是一個迷你型的海洋,因為體形小,所以對氣候改變的反應較大洋快。

「過去幾十年裡在日本海看到的變化,未來很有可能會發生在整個大洋裡。」

──陳鎮東教授提醒

本研究使用的日本海紀錄站位置。圖/Chen et al, 2017

海洋酸化將衝擊生態與漁業發展

從目前的研究結果可見,未來海水酸化將衝擊到海洋生態以及漁業發展。 根據最新研究發現,在比較酸的海水中成長的仔魚,有些魚種的聽力會出現相當程度的受損,難以聽到獵食者靠近的聲音,大大降低其生存機會。

「科學家把蛤蜊養在不同酸度的海水裡,發現在越酸的海水裡,蛤蜊長得越小隻,貝殼構造也越不結實、健全。」陳鎮東講座教授進一步指出海水酸化對生物造成的嚴重影響,他表示,碳酸鈣是構成許多海洋生物殼體或骨骼的主要材質,例如珊瑚的骨格、貝類的殼等等;但碳酸鈣怕酸,海水一旦變酸,這些生物就會長得不好。

碳酸鈣是許多生物殼體或骨骼的主要材質,海水一旦變酸對他們的生長就會有不好的影響。圖/MrGajowy3@pixabay

雷漢杰強調,本研究歷時三年多,重建過去幾十年日本海不同深度海水的碳化學參數,實屬不易。過程中,陳鎮東講座教授更多次親赴日本相關單位,了解過去在日本海收集的數據的品保與品管(QA/QC)。陳鎮東教授過去發表關於日本海的論文,是重建過程的一大關鍵;而日本氣象廳近幾年分析的碳化學數據,以及陳鎮東教授與龔國慶教授 1992 年在日本海收集的數據,成為驗證重建結果好壞的重要指標。

本研究兩位作者,陳鎮東講座教授(左)與雷漢杰研究員(右)圖/國立中山大學提供。
  • 本研究論文的共同作者還包括陳鎮東講座教授的碩士畢業生謝佳翰、日本國際封閉式沿海環境管理中心(International Environmental Management of Enclosed Coastal Seas Center)的 Tetsuo Yanagi 教授、日本氣象廳氣象研究所的 Naohiro Kosugi 與 Masao Ishii 研究員,以及國立海洋大學的終身特聘教授龔國慶老師。
  • 本文編修自國立中山大學新聞稿「暖化加快深海酸化 中山大學跨國研究登頂尖期刊」

參考資料:

 

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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別管龍貓公車了,聽過蛞蝓公車嗎?
葉綠舒
・2015/10/22 ・443字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 458 ・五年級
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照片來源: QuickiWiki

宮崎駿在「龍貓」卡通動畫中,創造了龍貓公車,現實生活裡的線蟲(C. elegans)也會搭乘公車,只是這公車是由蛞蝓客運有限公司負責經營。
德國的研究團隊發現,住在土壤以及水裡的線蟲,會利用蛞蝓、蜈蚣、以及土鱉(isopod ,俗稱roly-poly,為Armadillidium屬的甲殼類的總稱)來當作牠們的「公車」。其中,尤其以蛞蝓最合適。蛞蝓會分泌黏液,可以幫助線蟲長保濕潤。
而且,線蟲不僅僅是待在蛞蝓的表面,牠們也會進入蛞蝓的腸子。在那裏,線蟲不只是搭搭公車而已,蛞蝓客運還提供了免費的便當。
當線蟲吃飽喝足想下車了,只要跟著蛞蝓的便便一起排出,就可以了。科學家們發現,有些線蟲可能會搭長途的巴士,跟著蛞蝓一起旅行到大街上、人行道。
雖然蛞蝓公車聽起來很酷,但是對於植物病理學家來說,又多了一條消滅蛞蝓的理由。許多蛞蝓本身就是植物的害蟲,他們會啃咬嫩葉,造成巨大的損害;現在知道蛞蝓會攜帶線蟲,而線蟲本身就是許多植物病原的攜帶者,又讓蛞蝓罪加一等了。

參考文獻:Schulenburg H. et. al., 2015. Travelling at a slug’s pace: possible invertebrate vectors of Caenorhabditis nematodes. BMC Ecology. DOI 10.1186/s12878-015-0050-z

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葉綠舒
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