綠能製氫技術更進一步,新型光電極可捕獲 85% 可見光

發佈日期: 2018 年 09 月 12 日 9:43 | 作者: | 分類: 產業資訊

科學家近年來不斷研發新型人工光合作用設備,各界都希望能用少量、低成本材料來提升可見光吸收量與製氫效率,近期日本北海道大學在光電極(Photoelectrode)研究有所進展,該團隊的金-二氧化鈦奈米光電極能有效捕獲 85% 的可見光,進一步將光轉換效率提升 11 倍。

氫燃料電池車與氫能為備受看好的下一代技術,「排放物只有純水」儼然成為廣告宣傳代名詞,但目前製氫技術多以化石燃料為主,氫氣在製造方面尚未達到百分之百綠能,因此各方科學家紛紛絞盡腦汁想提出最佳解決方案。

光電解水製氫則是實驗室重點研究技術,結合光催化劑與電化學原理,將光電極置入水溶液後,就可把光電極所吸收的能源轉換成氫氣,若該技術成功走出實驗室,將有助於未來氫能社會的發展。

北海道大學電子科學研究所教授三澤弘明(Hiroaki Misawa)團隊一直以來便致力於打造金製光電極,希望可透金奈米粒子捕獲更多可見光,不過由於金奈米粒子只能吸收光譜範圍較窄的光,若是只有一層金奈米粒子,沒有辦法吸收足夠的可見光。

因此為提高光吸收量,團隊打造一款「三明治」光電極,將 30nm 厚的二氧化鈦薄膜夾在 100nm 厚金製薄膜與金奈米粒子之間。當光被金奈米粒子層吸收時,二氧化鈦另一面的金薄膜就可以變成鏡子,光可在兩面鏡子間來回反射,即是所謂的「共振腔(Cavity)」,光會不斷穿過二氧化鈦層,可最大化光吸收與製氫效益。

實驗結果也指出,新型光電極效率比以往的設備還要高,可吸收超過 85% 可見光,三澤弘明指出,金奈米粒子會出現「局部電漿共振(localized plasmon resonance)」現象,可吸收特定波長的光,且二氧化鈦層中的電漿會與可見光相互作用,讓金奈米粒子可吸收光譜範圍較寬的光。

當金奈米粒子吸收光時,額外的能量會刺激金的電子激發(electron excitation)並將電子轉移到二氧化鈦層中。三澤弘明表示,光轉換效率可說是以往的 11 倍,可大大提升水分解製氫效率。

研究員表示,團隊希望未來可用極少的材料、讓光電極有效將陽光轉換成再生能源,進一步加速實現永續社會。目前研究已發表在《Nature Nanotechnolog》。

(首圖來源:Pixabay。文/DaisyChuang)

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