某科學の超電報

太陽能轉換氫能的重大突破:與石墨烯結合的製氫新技術

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

該怎麼幫助學生擁有「科學思辨力」?

全台最大科學知識社群精心打造,專屬於教師的科普閱讀基礎課《用科普閱讀打造科學思辨力

 


關於作者

PanSci

PanSci的管理者通用帳號,也會用來發表投稿文章跟活動訊息喔。

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策