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應用科學:黑比白好?加一點無序結構產生更高效率的奈米二氧化鈦光觸媒

科景_96
・2011/02/21 ・939字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 609 ・十年級

美國能源部勞倫斯柏克萊國家實驗室(Berkeley Lab)的科學家,將二氧化鈦奈米晶體表面的規則原子結構無序化,製造出比以往更穩定、效率更高的光觸媒,利用太陽能從水中得到氫氣。

自從日本化學家Fujishima與Honda在1972年發現,可利用二氧化鈦將光能轉為電化學能來進行光解水反應(利用光將水分子分解成氫和氧)[1],光觸媒研究一直是很熱門的題目。由於二氧化鈦的能隙較大,只能吸收波長小於或等於紫外光的光能,而太陽光譜中這部分的光線大多被地球大氧層所吸收,僅少部分可到達地球表面。為了提高二氧化鈦光觸媒在太陽光下的效率,許多人致力於研究如何縮小其能隙,使二氧化鈦能吸收太陽光譜中最能穿透大氣層的可見光及近紅外光波段。目前較有效的方法是在二氧化鈦中摻雜少量的氮原子[2, 3],可將其吸收範圍延伸至可見光區。

一般而言,二氧化鈦的粉末是白色的(因此常添加於油漆、顏料、化妝品中)。勞倫斯柏克萊國家實驗室的科學家Samuel Mao表示,他們在正常的白色二氧化鈦奈米粉末製備完成之後,放入約20個大氧壓的高壓氫氣中進行氫化反應(hydrogenation)[4],使粉末表面規則排列的鍵結變成無序(disorder),最後得到黑色的二氧化鈦奈米粉末。此黑色粉末的吸收光譜不但延伸至可見光,甚至擴展至近紅外光區。

這些黑色的二氧化鈦奈米粉末,在常見的光觸媒反應中表現得比白色(未氫化)的粉末要更好,例如亞甲基藍(methylene blue)和酚(phenol)的分解,且經過多次反覆實驗也不會降低效率。Mao表示,在擬太陽光下,被黑色的二氧化鈦奈米粉末所吸收的光能,有24%被轉化進而產生氫氣,產出率是之前大部分半導體光觸媒的100倍。此外,經過22天連續照光測試下,黑色二氧化鈦粉末也沒有效率減低的跡象,顯示極佳的穩定性,對未來實際應用有很大的幫助。在沒有使用的情況下,這些黑色粉末放置超過1年也不會變色。

加州大學柏克萊分校物理系的理論物理學家Peter Yu和Lei Liu的計算結果顯示,正常的二氧化鈦晶格中若加入雜質或缺陷(包括氫),並不能在原來的能隙中產生中間能態;然而在無序的二氧化鈦晶格中,若加入氫與氧和氫與鈦的鍵結,確實能有效地產生中間能態。雖然從計算結果看來,氫的1s電子軌域並不參與形成中間能態,但它在穩定此無序結構中有一定的重要性[4]。

原始論文
[1] A. Fujishima, K. Honda, Nature 238 (1972) 37.
[2] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science 293/5528 (2001) 269.
[3] X. Chen, S.S. Mao, Chemical Reviews 107 (2007) 2891.
[4] X. Chen, L. Liu, P.Y. Yu, S.S. Mao, Science 331/6018 (2011) 746.

參考來源:
ScienceDaily: Cheap, Clean Ways to Produce Hydrogen for Use in Fuel Cells?

延伸閱讀:

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科景_96
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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。