來自海洋的氫能:奈米材料使光觸媒產氫更有效率

從海水中製造氫氣的光觸媒(圖:University of Central Florida )

氫氣被認為是未來能源的希望之一。如果能夠有效的利用海水,電解產生氫氣,那麼就能製造近乎源源不絕的燃料。但這項技術的瓶頸在於:使用電力或光催化的水解,其能源轉換率太差,結果反而得不償失。

而中央佛羅里達大學的奈米科技研究中心 ( University of Central Florida’s NanoScience Technology Center ) 的研究員楊陽 ( Yang Yang )。 提出了一種特殊奈米結構的光觸媒 ( photocatalyst ),正正能夠解決這項問題。

光催化分解水

將水通電後,電子會與氫離子結合,產生氫氣。而光催化分解水則是另一個類似原理的手段。當太陽光中的光子,打到光觸媒半導體時。其能量會激發電子,從不可導電的價帶激發至導帶。而這電子會與水分子發生還原反應,而製造出氫氣。此方法的問題在於,常用的光觸媒:二氧化鈦,進行光催化分解水時,因為接受的光子頻寬有限與材料表面的問題,而使反應活性不佳。

奈米結構

研究員找到一種方法,製造出光觸媒的合成材料,解決此效率問題。他們發現,將二氧化鈦的表面,以化學方法「蝕刻」上奈米結構的孔隙。並在表面鋪上一層僅有一個原子厚度的奈米薄膜:二硫化鉬。藉由調整表面薄膜中,硫原子的空缺密度。能夠使光觸媒接受更大的光子頻寬:從可見紫外光 ( ultraviolet-visible ) 到近紅外光 ( near-infrared light )。使得光催化水解的效率提升將近 2 倍。

未來應用

奈米材料在許多領域皆發展出了新的科學運用。但是最大的問題是,由於奈米材料的製造精準度要求高,所以還無法商業化製造。包括此項新的光觸媒材料,也正面對這項所有奈米材料的問題。

但氫氣作為未來能源燃料的地位依舊存在,正如楊博士提到:「以氫氣作為太陽能產出的能源,會比太陽發電來的有效率。因為氫氣比起電力,更方便儲存與運送」。其研究也正在解決如何大規模製造的問題。

 

參考資料:

  1. New nanomaterial can extract hydrogen fuel from seawater .  Phys.org
  2. Guo, L., Yang, Z., Marcus, K., Li, Z., Luo, B., Zhou, L., . . . Yang, Y. (2017). MoS2/TiO2 heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution. Energy Environ. Sci.doi:10.1039/c7ee02464a
Kyle
實習編輯,臺灣科技大學材料科學與工程系學生,平日喜歡閱讀、騎車,衝浪。