趙文軒、 蔡麗端、 黃震宇 、侯雯娟 / 工研院材化所
近年來極端氣候加劇，造成天災不斷。為了避免全球暖化更為嚴重，減少大氣層內溫室氣體的含量，淨零碳排成為全球各國努力的目標，而潔淨能源儼然已成為兼顧科技發展與永續環境的最佳解答。基於環境保護的觀念，使用氫氣做為燃料與化學品符合環保期待，而電解水是製造氫氣與氧氣的最簡單方式。
儘管利用電解水產氫具有相當多的優點，但是在大量產氫的過程中卻具有致命的缺點，即耗費相當多的能量導致不符成本。由於在酸性環境下，大多數的金屬材料會有腐蝕的問題，必須使用抗蝕性較高且較昂貴的貴金屬做為電解產氫電極，而在現行眾多電極材料中，貴金屬系之鉑銥一直是催化性能最佳的電極材料之一。但在其資源蘊藏量有限的情況下，價格相當昂貴，在減低成本的考量下，必須採用其他材料取代；相對地，在鹼性環境中，金屬電極則較沒有腐蝕的問題，選擇性也增加許多，相較之下其工業可量產性與大規模普及性皆具潛力。但現行非鉑銥電極觸媒材料雖具低成本的優勢，但其活性卻仍遠不及貴金屬系之鉑銥。能量消耗多與過電位過大有關，而過電位與電極、電解液及反應生成物有關。為提升電解水效率，電極扮演重要角色，可降低活化能及增加反應的界面，使其具有低反應起始電位與高電流活性。活化能降低是受電極表面催化的影響，其取決於電極材料本身催化特性。本文將介紹目前非鉑電極觸媒材料研究的進展狀況。
前言
在全球暖化日趨嚴重，氣候環境變遷加劇的現今，降低大氣中溫室氣體濃度、解決海平面上升與極端氣候，尋求兼顧科技發展與永續環境潔淨能源已成為急迫需解決的問題。由於氫氣不僅是一種潔淨能源，也是燃料與化學品的特色而受到各方注目。基於環境保護的觀念，使用氫氣做為燃料符合環保期待，而電解水是製造氫氣與氧氣的最簡單方式。作為大規模生產氫氣的可行的方式，電解水產氫是最可行且最成熟的技術。儘管利用電解水產氫具有相當多的優點，但是在大量產氫的過程中卻也具有致命的缺點；即耗費相當多的能量導致不符成本。能量消耗多與過電位過大有關，而過電位與電極、電解液及反應生成物有關。
為提升電解水效率，電極扮演重要角色，可降低活化能及增加反應的界面，使其具有低反應起始電位與高電流活性。活化能降低是受電極表面催化的影響，其取決於電極材料本身催化特性。電解產氫為一種直接以電流通過水以製造氫氣與氧氣的裝置，利用電化學反應使電子及離子透過不同反應路徑完成電荷轉移，從而將水中的電能轉變為化學能，其反應原理是，將兩個以鉑或不銹鋼或銥等金屬製造的觸媒電極接到直流電源上面，放到水中。氫氣會從陰極冒出，而氧氣則會從陽極冒出，而電解的最低電壓限制為理論電位1.23伏特。
鹼性水電解時，陽極與陰極會分別產生以下反應：
陰極的反應式：2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (Hydrogen evolution reaction; HER)
陽極的反應式：2OH- → H2O + ½O2 + 2e- (Oxygen evolution reaction; OER)
其中，陽極的反應為速率決定瓶頸步驟。現行相關水電解產氫技術如表一所示，分為低溫型-鹼性水電解(AEL)、陰離子交換膜水電解(AEMEL)、酸性水電解(PEMEL)及高溫型-Solid Oxide Electrolysis (SOE/SOEC)兩類，其中較成熟的技術為鹼性電解(AEL)產氫，目前大型電解產氫系統主要採用AEL。由於在酸性環境下，大多數的金屬材料會有腐蝕的問題，必須使用抗蝕性較高且較昂貴的貴金屬做為電解產氫電極，而在現行眾多電極材料中，貴金屬系之鉑銥一直是催化性能最佳的電極材料之一，但在其資源蘊藏量有限的情況下，價格相當昂貴，在減低成本的考量下，必須採用其他材料取代；相對地，在鹼性環境中金屬電極則較沒有腐蝕的問題，選擇性也增加許多，相較之下其工業可量產性與大規模普及性皆具潛力，但現行非鉑銥電極觸媒材料雖具低成本的優勢，但其活性卻仍遠不及貴金屬系之鉑銥。雖然貴金屬如Pt或 IrO2 一直是最具催化效果的電極材料之一，但其價格相當昂貴。再加上近年來亦有學者與研究機構(包括工研院材化所)發展新型鹼性膜電解產氫(Anion Exchange Membrane Electrolysis; AEMEL)，此技術結合了AEL與PEMEL之各自優點，因此其未來發展潛力備受各界注目。國際再生能源總署(IRENA)對AEL與AEMEL技術盤點與未來目標如表二所示。但此種基於傳導OH-高分子膜設計的陰離子交換膜電解產氫(AEMEL)需要---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。
表二、國際鹼性電解技術發展現況與未來規劃