光觸媒產氫

 

刊登日期:2018/4/5
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現代社會面臨能源與環境的種種問題,尋找替代能源已為趨勢,有效利用太陽光進行能源轉換是目前重要的研究領域之一。光觸媒產氫的反應總共分兩大類:光催化反應以及光電化學反應,兩者皆發展許多不同材料以及改進的方式以增加效率。本文將專注於半導體光觸媒的發展,目前光電化學反應的最高太陽能轉換氫氣效率為17%,雖然在成本的考慮下光觸媒產氫仍未能實際應用,但也提供了能源轉型一個重要的發展方向。

本文將從以下大綱,探討光觸媒產氫之發展現況。
‧前言
‧光催化反應系統(PC)的材料發展及改進工程
‧光電化學反應系統(PEC)發展現況
‧結語

【內文精選】
太陽能可視為無窮盡的資源,地球平均接受的光照能量大約為1.7 × 1017瓦特,其能量的1%相當於能夠提供全球74億人口兩百天用量。如果能有效地應用地球表面接受到的太陽能,提升能源的使用效率,建構低碳家園與國家永續發展的願景可向前邁進一大步。近年來,利用半導體光觸媒將太陽能轉換的技術已成為重要的研究方向,舉凡分解水產氫、二氧化碳還原、有機汙染物降解、生質能轉化,都是為環境議題尋找一個可靠又穩定的解決方案而努力。

利用光觸媒以太陽能分解水製造氫氣的方式,首先由日本學者Fujishima和Honda於1972年提出,銳鈦礦二氧化鈦(Anatase TiO2)作為陽極電極、白金作為陰極電極所構成的迴路中,在波長低於415 nm之光源照射下,陽極的二氧化鈦電極會吸收光,其價帶電子受光激發至導帶,陽極二氧化鈦與水反應產生氧氣,同時在陰極的白金電極上產生氫氣,此現象即為著名的本多-藤島效應(Honda-Fujishima Effect),圖一的二氧化鈦所扮演的角色即為「光觸媒」。

當光觸媒的導帶電位比水的還原電位(0 V vs. NHE, pH = 0)為負,價帶電位比水的氧化電位(1.23 V vs. NHE, pH = 0)為正時,光觸媒吸收大於能隙值的光能,產生電子-電洞對分離,電子躍遷至導帶將水中的氫離子還原成氫氣,留在價帶的電洞將水中的氧離子氧化產生氧氣,此為半導體光觸媒照光分解水產生氫氣的原理(圖二)。

圖二、光觸媒產氫過程示意圖
圖二、光觸媒產氫過程示意圖

為了提升產氫的效率,許多學者提出不同的光觸媒材料與設計,這些產氫光觸媒的研究通常具有以下幾項性質,以符合未來商業化的趨勢:較高的太陽能轉換產氫氣效率(Solar-to-Hydrogen Efficiency; STH);地球含量豐富、無毒、價格低廉的材料;抵抗光腐蝕且能夠循環使用;壽命長以及高光子產出效率(High Quantum Yield)。光觸媒產氫(Photocatalytic Hydrogen Production)的方式主要分成兩種:光催化反應(Photocatalytic Reaction; PC)及光電化學反應(Photoelectrochemical Reaction; PEC),前者多為粉體,後者為薄膜光電極系統,以下就這兩個領域分開探討。

光電化學反應系統(PEC)發展現況
PEC系統相較PC系統有幾點優勢:①透過施加偏壓可以調整能帶到理想的電位,並抑制光生電子-電洞對再結合,提升載子分離及傳輸的效率;②光陽極與光陰極的產物可以分開收集,省去分離產物的成本;③薄膜製備可以現有半導體製程加以修改;④PEC藉由不同的界面設計,例如Heterojunction或者是Tandem Cell,目前可達成的效率較PC系統高。綜觀以上幾點,PEC系統的發展是具有潛力的。然而目前的技術還無法達到商業化的等級,主要原因在於高生產成本、低轉換效率以及穩定性不足。根據理論計算,兩個能隙值材料形成的異質接面,太陽能電池可以達到的理論效率為38%,而PEC系統則為31.1%,理論光電流密度為25.3 mA/cm2。實際的產氫效率卻往往不及一半,原因在於吸光效率不佳、載子遷移距離不足、光生電子-電洞對的再結合、半導體-電解質界面的反應動力學低落等。

Hannappel等人發展出Rh觸媒裝載的GaInP/GaInAs PEC Tandem系統,分別在不施加偏壓及偏壓輔助下,得到太陽能轉換產氫(STH)效率為14%及17%,是目前PEC Tandem系統中最高的效率值。基於成本考量,以地殼含量高的元素作為光電極材料能夠大幅降低成本,其中最具發展性的便是矽,矽的含量豐富、價格低廉,大量應用在太陽能電池(Photovoltaic; PV)系統,技術較為純熟。此外矽的能隙值為1.1 eV,能廣泛地吸收光,並且已經成功地應用在PEC的光陽極或光陰極上,但是矽光腐蝕嚴重,需要保護層來增加穩定性。Abdi等人發展出以矽為基礎的PV-PEC Tandem系統(圖九),此系統不需另外施加偏壓就可以進行分解水產氫,光電流值為4 mA/cm2,STH效率為4.9%。雖然目前PV-PEC Tandem系統實際的效率較PEC系統高,但是...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖九、光伏(2-jn a-Si)-光電化學(Gradient-doped W:BiVO4)系統
圖九、光伏(2-jn a-Si)-光電化學(Gradient-doped W:BiVO4)系統

作者:黃彥禎、郭瑋汝、李岱洲/國立中央大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」376期,更多資料請見下方附檔。


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