新型光催化劑利用整個可見光光譜有效製造氫氣

圖:goinyk/Depositphotos

俄亥俄州立大學(Ohio State University,OSU)科學家研發出一種新分子,可以從整個可見光譜的範圍中獲取能量,比現行的太陽能電池多吸收多達 50% 的太陽能 ,也能夠將該能量催化為氫氣。

光催化產氫

氫氣被許多民眾視為一種乾淨的燃料,可以在低碳排放的未來驅動汽車。產生氫氣的一種方法是從水中分解,通常是使用電力將水分子分解為氫原子及氧原子。但是,一個可能更簡單及更有效率的方法是透過光催化水解,也就是使用光本身作為能量源來取代電力,從整體製程上移除產生電力的步驟。

然而,目前還沒有人能將光催化製氫的過程商業化。不過,這是一個熱門的研究領域,而 OSU 的科學團隊宣稱發現了目前最有效率的光催化分子之一。

捉光更有效率

該分子能使用整個可見光光譜。以前大多數的光催化劑都專注於高能量紫外線波長範圍,這種光催化劑可以從紫外線波段開始捕捉能量,並一路捕捉整個可見光譜到近紅外光範圍,意指它能吸收的太陽能比現行的太陽能電池多 50% 。

根據研究人員的說法,在許多先前的研究中,因為在催化劑中使用了兩種以上的分子,所以失去了效率。原因是電子在這些分子間交換,所以能量就在這些系統中損失。若是使用 OSU 的單分子催化劑,則不會產生這個問題。

新的光催化劑是元素銠(rhodium,Rh)的某種型態。在實驗室中,研究人員藉由對包含此活性分子的酸性溶液照射 LED 光來進行測試,並發現釋放出氫氣。

OSU 化學及生物物理動力學中心(Center for Chemical and Biophysical Dynamics)的主任克勞迪亞·杜羅教授(Claudia Turro)表示:「讓系統得以運作的是,該系統能讓分子處於激發態,在激發態下它能吸收光子,並儲存兩顆電子來產生氫氣。將兩個電子儲存在源自兩個光子的單一分子中,並且一起使用來產生氫氣,這是前所未有的。」

仍具改善空間

不過,在這個分子能在商業上成為產生潔淨燃料的方法之前,仍然有許多問題待解決。其中之一是銠非常稀有且昂貴。杜羅教授表示,研究團隊正嘗試如何用較便宜的材料來建構該系統,並讓系統持續更久。但此研究無疑讓光催化製氫更接近現實一步。

參考資料:

  1. Blain, L., (2020, January 21). Broad-spectrum solar breakthrough could efficiently produce hydrogen. New Atlas
  2. Whittemore, T. J. et al., (2020, January 20). Single-chromophore single-molecule photocatalyst for the production of dihydrogen using low-energy light. Nature Chemistry. doi.org/10.1038/s41557-019-0397-4
黃威翔
黃威翔 186 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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