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绿能重大突破!台湾研究团队利用超薄原子层材料开发光电化学制氢技术
 

【CTIMES/SmartAuto 报导】   2020年02月12日 星期三

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在科技部「尖端晶体材料开发及制作计画」长期的支持下,由台湾大学陈俊维教授,台湾科技大学黄炳照教授与东海大学王迪彦教授所组成之跨校际之「新世代能源研究团队」,最近在再生洁净能源相关之研究,「利用太阳能转换氢能」 相关议题,有重大之突破:研发出以原子层材料石墨烯与矽基材料结合之新型的光电化学制氢技术。

合影(左起):科技部自然司林敏聪司长、台湾大学材料系陈俊维教授、科技部谢达??次长、东海大学化学系王迪彦助理教授
合影(左起):科技部自然司林敏聪司长、台湾大学材料系陈俊维教授、科技部谢达??次长、东海大学化学系王迪彦助理教授

面对全球暖化,及石化能源造成污染之问题,新的替代能源研究相关议题,是目前全世界最重要之研究课题之一。特别是台湾在积极寻求能源多元化的议题下,如何发展出好的替代能源,是目前相当重要之研究议题。虽然太阳能被视为最重要的再生能源之一,且目前已逐渐被广泛应用於日常生活。然而其最大的瓶颈,是太阳能无法被储存,以至於在没有太阳光照射时,就无法使用。因此科学家致力研究,如何有效将太阳能转换为”燃料(fuel)”,利於储存与运输,并且在任何时候皆可被使用。将有机会解决太阳能在没有日照时,就无法使用之瓶颈。

「氢能」,是目前科学界全力发展之洁净能源之一。以氢能为主之燃料电池,在运作中无污染,仅产生纯水,不会排放任何废气如二氧化碳。因此被认为是未来最有潜力之洁净能源。然而,氢气的制备,一般来说需要用到大量的电力,在成本上一直是需要克服的瓶颈。因此,有效利用太阳能直接将水分解,产生洁净能源”氢气”,是目前科学界重要的研究方向。目前,最常用的太阳光分解产氢的材料为大家熟悉的矽材。矽有其低能隙可涵盖很广的太阳光谱的吸收与市场上容易取得的优点。然而利用矽来做光分解产氢,其最大问题为其在电解液中的不稳定性与矽基板的高反射率。

陈俊维教授所带领之研究团队,利用新颖之原子层材料石墨烯(Graphene),与矽形成所谓萧基界面(Schottky Junction),有效将太阳能成功转换成氢能。

石墨烯是自然界目前已知最薄的材料,只有单原子之碳材,其厚度 ~0.34奈米,约只有头发直径的10万分之一的厚度。自从其2004年被发现之後,已成为当今相当重要的材料之一,并开启了二维原子层材料的研究领域。此重要发现之科学家,并於2010年获颁诺贝尔物理奖。

本次研究最大的突破,为利用实验室所成长的单原子层之石墨烯材料,与具有奈米结构的矽形成具有三维的石墨烯/矽的萧基界面(Schottky junction),应用於太阳能产氢。此特殊结构大幅降低了矽的反射率,增加其太阳光吸收效率高达20%,因此增加其产氢效能。

此外,虽然石墨烯材料只有单原子层之厚度,但在酸或硷的电解液中具有非常好的稳定性,能大幅改善过去以矽来做光分解产氢之所遭遇之稳定度问题,在矽表面形成一个好的保护层。

此以原子层材料与半导体形成新型的洁净能源元件,成为未来在太阳能产氢的应用上一个新的平台。陈俊维教授团队这项杰出研究不仅顺应国际绿能趋势,与台湾政府也力推绿能政策相符,且相当具有商业发展价值。此结果於日前登上能源研究顶尖期刊Advanced Energy Materials,并被获选为当期之封底。

「尖端晶体材料开发及制作计画」(Taiwan Consortium of Emergent Crystalline Materials (TCECM)) 是科技部有监於先进材料是科技发展之根本,长年投入资源扶植台湾在新颖材料的开发,所建立之研究平台。近年来在基础科学研究与产业相关应用,有相当丰硕之成果。

關鍵字: 太陽能  科技部 
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