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仿造植物光合作用,人工樹葉的誕生

2015/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 523

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撰文/郎若帆(台灣經濟研究院 副研究員) 圖片提供/加州理工學院

加州理工學院模擬樹葉的光合作用,開發出「人工樹葉」太陽能系統,利用陽光將水分解成為氫氣及氧氣,作為氫燃料的來源。這種儲存能源的方式,不需昂貴的材料、複雜的製造技術,未來還有很大的發展空間。

太陽能和風力產生的可再生能源如何儲存?這個大問題,讓2010年成立之加州理工大學人工光合作用聯合中心(JCAP)和美國能源部(DOE)能源創新中心有了發展的主要目標:模仿自然界植物行使光合作用原理,發展僅用陽光、水和二氧化碳即可製造具成本效益燃料的方法。過去5年,JCAP研究團隊獲取令人矚目的進展,發表第一個完整、高效且安全的太陽能驅動系統,可利用太陽能分解水製造出氫氣。

新太陽能系統(或稱「人工樹葉」)發表於2015年8月24日之《能源和環境科學》雜誌上,此項研究計畫由Lewis 研究團隊、JCAP主持人哈利・阿特瓦特(Harry Atwater)與應用物理和材料科學的霍華德・休斯教授(Howard Hughes)的實驗室共同完成。JCAP的「人工樹葉」包含3個主要組合:光電陽極、光電陰極及薄膜。光電陽極利用陽光氧化水分子產生氧氣、質子和電子,而光電陰極利用光電陽極產生的質子和電子合成氫氣;JCAP設計的關鍵部分是塑膠膜,以隔離氫氣和氧氣,避免混合和意外點燃而爆炸,在一定壓力下氫氣會被壓入管道收集起來。

理想的保護膜需要符合許多條件,要與其所覆蓋的半導體能夠在化學上相容,不透水、能導電、透明度高、可透光、易被催化反應並釋放氧和燃料。科學家們嘗試過用矽或者砷化鎵這類用在太陽能電池板上,可吸收光的普通半導體來製作電極,然而這些材料碰到水易氧化生鏽;Lewis研究團隊與其他科學家也嘗試為電極穿上保護膜,但實驗都失敗了。

由Lewis研究團隊開發的新太陽能發電系統在電極上塗裝62.5奈米厚的二氧化鈦(TiO2)塗層,二氧化鈦常見於防曬霜、牙膏和白漆塗料中,在允許光照和電子通過的同時,有效地阻止以砷化鎵為材料的光電極生鏽。新系統的另個突破是使用活躍且成本低廉的催化劑。由於光電陽極需要催化劑驅動水分解化學反應,稀有而昂貴的金屬(如鉑)可作為有效的催化劑,但研究團隊發現將2奈米厚度的鎳添加在二氧化鈦薄膜表面,更有效且價格低廉。

此系統的面積約為1平方厘米,如拇指指甲般大小的電池系統可將10%的太陽能轉化為可儲存的化學能,並持續工作40小時以上。JCAP科技總監、加州理工學院化學教授納特・路易士(Nate Lewis)說:「這個新系統打破了人工樹葉技術在安全、性能和穩定方面的綜合紀錄,我們的研究證實了使用廉價元件、高效並安全地從太陽能中生產燃料是可能成功的。未來,我們研究工作的重點在於延長系統壽命,並持續研究設計低成本的生產方法。」


關鍵字:人工樹葉,儲存能源,氫燃料

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