政大大學報

【大學事】邁向2050淨零排放 綠氫產製再升級

2023/10/18 22:42:11

【記者王華琳綜合報導】為響應2050淨零排放的目標,近年台灣各大專院校紛紛將綠能科技視為重要科學發展方向。「氫」作為最受矚目的綠色能源,利用太陽能分解水所產生的「綠氫」,卻因成本過高、製造不穩定而無法大量應用。國立臺南大學材料科學系副教授蒲盈志利用南大材料科學系教授呂英治研究團隊的「大氣電漿」(Atmospheric Pressure Plasma Jet, APPJ)技術,改善釩酸鉍光電極於光電化學系統中的製氫效能,同時以「臨場暫態吸收光譜」(In-situ Transient Absorption Spectroscopy)技術研究過程中催化活性提升的機制。研究成果登上國際頂尖期刊《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)。

「氫」的分子結構中不含碳,因此在現今講求低碳、零碳的趨勢下扮演重要角色,有望取代現今高碳排的石化燃料,成為發電與運輸工具的動力。氫在自然界中以化合物的狀態存在,需透過碳氫燃料、質料氣化、水解、電解水等方式獲得,依據氫氣的原料以及轉換製程衍生不同數量的碳排放。而當中碳排量最低由再生能源電解製造而成「綠氫」,則被視為最能夠主導氫能源市場。惟整體能源利用率低,現有的裝置成本也較高等缺點,現今多為示範運行,無法商用化。

利用太陽光以光電化學系電池進行氧化還原反應產氫,圖為光電化學電池水非解產氫示意圖。 圖/蒲盈志提供

「我們不希望在產氫過程中還需要投入額外的電力,進而選擇以綠色能源的太陽光作使用。」論文共同第一作者、蒲盈志教授實驗室研究助理蔡鎧安表示,雖然太陽光產氫無法與電解產氫的效能相比,但改善產製效能也是研究的重點之一。蒲盈志利用呂英治教授研究團隊的「大氣電漿」技術(註一)改善太陽光產氫的製程。大氣電漿不受限於多數電漿使用低壓電漿、高效率真空系統所產生的高成本、難以大面積製造的問題,蒲盈志說明,「它就像噴墨影印機一般,利用掃描以及噴頭的結構,噴出電漿對釩酸鉍(註二)電極表面進行處理,不受限於低壓或是真空的環境,在自然環境中便可作使用。」

註一:利用電漿態物質具有的高活性及能量,激發電荷轉移等反應。此技術無需固定或密閉式的容器,受測物品尺寸不受限於容器大小。

註二:亮黃色無機化學品,不含對人體有害的重金屬元素,是一種環保低碳的金屬氧化物質。

「大氣電漿」改變釩酸鉍光電極料表面,產生氧空缺結構,圖為「大氣電漿」表面處理示意圖。 圖/蒲盈志提供

大氣電漿改變電極表面的微結構產生氧空缺保護層,「電漿處理過的電極表面通常親水性會比較好,光電轉換中電荷傳輸的能力也會提升。」蒲盈志說明,氧空缺保護層的產生解決釩酸鉍過去所面臨的低化學穩定性問題。同時,也利用臨場暫態吸收光譜(註三)從中研究發現,「氧空缺結構可暫時將負電荷留在空缺當中增加存在時間,使正電荷更容易與水產生氧化反應。」蒲盈志解釋,大氣電漿使得此光電極電荷分離與轉換效率大幅提升。

註三:利用雷射光激發電荷的方式,觀察化學反應中電荷的行動模式、生命週期、位置等,由此判斷表面電荷是否起到反應過程的幫助作用。

利用「臨場暫態吸收光譜」發現氧空缺結構對電化學系統產氫的幫助。 圖/蒲盈志提供

經改善後,釩酸鉍光電極材料在光電化學系統水分解產氫的效能可達原先的3.4倍,提升了太陽光產氫的效能。而細節部分,釩酸鉍電極載子傳輸效率提至95%,系統中的光電轉換效率相較於現有製程也提升了四成,使生產效能逐漸與理論數據接近,對於太陽光的利用率也大幅提高,發展綠能資源在科學上的實際應用。國立清華大學材料科學工程學系教授吳志明認為:「此次研究中的載子傳輸率、光電轉換率提升,都對產氫效能有著關鍵性的影響。而在未來商業化方面,需著重在如何增加面積製造的同時維持穩定的效能生產。」

對於未來發展,蒲盈志說道:「未來也將朝理論值努力,我們也將嘗試將尺寸作大,突破實驗室規模,應用在更多層面,甚至希望說可以直接把它搬到戶外,讓它能夠直接在太陽光下使用。」而這種「低成本、易量產」的製備方式提供台灣未來能源更多的選擇,並期望與工業連結。此次研發技術使綠氫克服產製成本過高無法大規模應用的問題,讓綠能科技在社會上可被普及使用,促使台灣的科學研究在氫能源的發展,持續朝2050淨零排放目標邁進。