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Unformatted text preview: 一般報導 取之不盡的太陽能 光電化學反應 光電化學反應是吸引眾人目光的技術, 吸收光能後就能自行反應運作, 因天然氣形成的 能有效地把取之不盡的太陽能轉換成電能、燃料, 墾丁出火景觀 在石油能源日漸枯竭的今日, 提供了人類有效利用太陽能的契機。 ■莊浩宇 陳東煌 太陽能的重要和發展 隨著科技的發展,能源扮演著 愈來愈重要的角色。近年來化石能 源儲存量不斷地減少,根據統計, 地球蘊藏的石油只能再開採 40 年,天然氣礦藏僅夠 60 年使用, 煤礦還有 150 年的存量。由於對能 由於對能源的高度需求,人類終究會面臨化石能源開發殆盡的一天, 因此有必要開發出新一代的能源技術,以降低對石油、 天然氣和其他有限礦產的依賴度。 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 59 (a) (b) 水 二氧化碳 太陽 光合作用 氧 自然界的循環就是利用太陽能的最好例子 葡萄糖 水 (a)爭取光合作用而向上生長的綠色 植物, (b)光合作用示意圖。 源的高度需求,人類終究會面臨 限制,太陽能發電商用化或大量 漸變成目前使用的石油、天然 化石能源開發殆盡的一天。核能 生產替代燃料幾乎是不可能達成 氣、煤礦等化石能源。因此,從 是可考慮的技術,但因安全疑慮 的理想。然而,近年來克服了許 巨觀的角度來看,其實自然界的 大、技術需求高、無法應用至民 多困難,各方面的技術發展已漸 循環就是利用太陽能最好的例 生產品等問題,限制了發展的機 臻成熟,預期短時間內,以太陽 子。 會。在未來數十年間,人類有必 能為基礎的技術會有很大的實用 要開發出新一代的能源技術,以 空間。 降低對石油、天然氣和其他有限 本文接下來要介紹的光電化 學(photoelectrochemical)反應 早在人類重視太陽能的發展 的運作方式,和綠色植物的光合 之前,自然界就已經充分地利用 作用有類似的原理,都是吸收光 在這樣的前提下,太陽能是 太陽能了,綠色植物行光合作用 能後進行氧化還原反應,都可藉 非常有發展潛力的能源之一。經 就是代表性的例子。地球上的綠 由能源轉換達到使用太陽能的目 由能源轉換,可把太陽能轉變成 色植物,由葉綠素吸收太陽光 的。 電能或其他燃料能源(如氫氣) 。 後,在內部進行光合作用的氧化 太陽能除了來源本身不需成本 還原反應,把二氧化碳和水轉變 外,和其他能源相較,太陽能應 成生長所需的葡萄糖、澱粉、果 光電化學反應,顧名思義, 用也具有環保、低污染、不需大 糖等生化能源,進而成為動物的 是指照光後就會引發的電化學反 型廠房等優點。過去因為相關材 食物。而動植物的遺骸在地底經 應。光電材料經光線照射後,如 料科技不成熟和能源轉換技術的 過長期壓力和溫度的作用後,逐 果光的能量大於光電材料本身的 礦產的依賴度。 照光引發的電化學反應 太陽能除了來源本身不需成本外,和其他能源相較, 太陽能應用也具有環保、低污染、不需大型廠房等優點。 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 電子能隙,就能把光電材料的價 積極開發的一種 帶中受束縛的電子激發至傳導 嶄新的太陽能電 帶,產生電子電洞對,進而躍遷 池,同時也是目 至材料的表面,與環境進行氧化 前最被普遍研究 還原的電化學反應。整體運作牽 和發展的光電化 涉到兩個重要的過程:首先是材 學電池。染料敏 料照光後產生電子電洞對的光電 化太陽能電池和 效應,再來是光電效應產生的電 以矽晶圓半導體 子電洞對與環境產生氧化還原作 為主的光伏特電 用的電化學反應。符合上述機制 池有不同的工作 的反應,基本上都稱為光電化學 原理,相較之下 反應。 具有材料成本 可參與氧化還原 反應的電子 e- 傳導帶 光能 e- 能隙 光電效應激發電子 價帶 光電化學反應示意圖 光電化學反應和傳統電化學 低、製造過程簡單、可撓性、透 染料敏化太陽能電池的工作 反應有相同的氧化還原反應特 明性等優點,它的最高發電效率 原理,基本上就是光電化學效 色,但傳統電化學反應須由外界 在實驗室已達 11 %。隨著相關技 應。染料吸收光線後會激發產生 給予電能來提供反應所需的能 術的發展,高效率低成本的染料 電子電洞對,被激發的電子注入 量,光電化學反應則直接利用太 敏化太陽能電池將有機會被廣泛 奈米材料的傳導帶,留下氧化的 陽能代替電能,是一種完整結合 地應用。 染料分子。電子經過奈米材料表 太陽能及電化學反應的設計,類 染料敏化太陽能電池的構造 面傳輸至透明導電層,通過外電 似植物行光合作用,對於人類在 類似三明治夾層,底層的基板是 路傳導至鍍有鉑的電極。藉由鉑 太陽能應用上具有顯著的影響。 玻璃或透明可撓曲的高分子薄 的催化,電子和電解液進行 I 3 - 光電化學裝置種類繁多,目前的 膜,基板上有一層透明且可導電 +2e -→ 3I -的還原反應。 I -離子 主要應用不外乎照光生電的太陽 的金屬氧化物做為導電電極。導 在電解液中傳輸至氧化的染料分 能電池、照光分解水生產氫氣的 電基板上沉積一層由奈米材料 子處,進行 3I -→ I3 - +2e -的氧化 裝置、照光後可分解污染物和病 (通常是二氧化鈦或氧化鋅)組成 反應,使氧化的染料分子還原, 菌的光觸媒。此外,近年來也有 的薄膜,它具有廣大的表面積; 完成一個工作循環。光能所激發 許多生化科技和光電化學結合的 能吸收光線且激發電子電洞對的 電荷的傳導,主要是藉由電子在 研究。 染料則附著在奈米材料表面上。 奈米材料傳導帶和 I -離子在電解 上層的電極除了也使用透明導電 質中的傳輸。 染料敏化太陽能電池 電極外,並鍍上一層鉑做為電解 染料敏化太陽能電池是太陽 染料敏化太陽能電池(dye 質反應的觸媒。兩層電極間注滿 能電池中相當新穎的技術,雖具 sensitized solar cell, DSSC)在 .. Gra tzel 等人於 1991 年發表突破 可導電且進行氧化還原反應的電 備材料成本便宜、可用印刷方式 解質溶液,通常是碘與碘化鉀的 大量製造、基板材料多元化等優 性的研究成果後,已成為近年來 有機溶液。 點,但目前仍有需要改進的地 光電化學反應是一種完整結合太陽能及電化學反應的設計, 類似植物行光合作用,對於人類在太陽能應用上具有顯著的影響。 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 61 方。一是光電轉換效率偏低(平 (a) (b) 均 約 8 % , 實 驗 室 產 品 可 達 11 %);二是封裝過程須注意電解 液的滲漏。因此,目前仍以實驗 及廣泛應用層面的吸引力,許多 國內外著名研究機構正在積極研 發中,期望能突破技術上的瓶 頸,使太陽能電池更有效地應用 (c) 光電奈米材料 (d) 染料 電子跳到 電子傳導至 光電材料 光源照射 導電電極 的傳導帶 在日常生活中。 e- I- I3 - e- e- 光能 分解水產生氫 e - 染料 氫是宇宙間存量最豐富的化 染料吸光 導電電極 導電 學元素,也具有可燃性,做為燃 Pt 光電奈米 激發電子 材料 電極 料使用後,只會產生無污染的 接觸界面 e- 水,可謂最環保、可循環再生的 能源之一,在未來能源發展中扮 (a)汲取電解液的染料敏化太陽能電池,(b) 可撓曲式太陽能電池,(c) 染料敏化 太陽能電池示意圖,(d) 染料敏化太陽能電池光電化學反應機制。 演非常重要的角色。但是氫幾乎 子本身熱力學能階低,性質非常 重大突破。利用太陽能製造氫氣 自然界,多以水分子的方式存 穩定,不易發生反應,只能做為 不再是遙不可及的理想,而是實 在。雖然地球上水含量非常豐 能源載體。氫氣可由分解水產 際可行且具有發展潛力的應用。 富,取之不盡用之不竭,但水分 生,以光電化學反應來分解水生 氫除了可當燃料使用外,也可與 產氫氣是近年來熱 燃料電池結合。已有研究機構預 門的研究方向。 測燃料電池幾年內會商業化,相 圖片來源: 無法以元素和分子態穩定存在於 以 Clean Energy 為訴求,使用氫氣做為燃料的汽車。 應用光電化學 反應分解水生產氫 信無污染且可再生的氫能源社會 不再只是夢想。 氣的研究已發展近 光電化學反應分解水產生氫 30 年,它的基本 的裝置和傳統電化學電解槽類 工 作 原 理 是 由 似,兩者都有兩個反應電極及一 Fujishima 和 Honda 個液相反應槽。光電化學反應裝 在 1972 年提出 置的光反應電極由光電半導體觸 的。隨著近年來的 媒和透明導電材料構成,能吸收 研究和發展,觸媒 光能激發電子電洞進行分解水的 材料技術已有許多 反應。在分解水的過程中,光電 氫具有可燃性,做為燃料使用後,只會產生無污染的水, 可謂最環保、可循環再生的能源之一。 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 圖片來源:(a)奈米科技 K - 12 教育發展中心、(b)成功大學化工系鄧熙聖 室產品為主。基於它的低廉成本 (b) (a) 為近年來主要的研究發展方向之 e- 光電極照光激發電子電洞對,電子由 一。光觸媒,顧名思義,是一種 外電路傳導,電洞由電解質傳遞 吸收光線後能催化氧化還原反應 e- 的材料,具有降解有機物質、分 2h ++ 2e -→ H2 還原反應 解污染物、自我清潔、消毒、殺 e- e- 菌、除臭、空氣淨化、污水處理 1 H2O + 2h +→ 2H ++ O2 2 氧化反應 等多方面的用途,能廣泛地應用 h+ 還原電極 光電極 光能 (a)光電化學反應分解水產生氫的裝置,(b)裝置示意圖和其反應機制。 在人類的日常生活中。 光觸媒的運作原理也和光電 化學反應有關。光觸媒吸收光能 極若是 N 型半導體則負責產氧, 光電化學反應分解水產生氫 後激發出電子電洞對,光觸媒表 還原電極則產氫。液相中除了水 的關鍵在於光電半導體觸媒材 面的電洞和環境中的水分子接觸 外,也加入能導電的電解質以提 料,它的傳導帶和價帶間的能隙 後 會 奪 走 氫 氧 基 ( O H -) 的 電 升效率,但不可有副反應或過強 須小於入射光能量,才能吸收光 子,隨即產生活性極大的氫氧自 的侵蝕性,否則會影響產氫的反 線激發電子電洞進行反應。被激 由基(OH 。氫氧自由基具有強 •) 應。 發的電子電洞的能量必須和氧化 大的氧化力,一旦遇上有機物質 以 N 型半導體和酸性反應條 還原反應的電位符合,才能啟動 便會奪走其電子,破壞有機物分 件為例,光電化學反應分解水產 氧化還原反應分解水生產氫氣。 子的鍵結,達到分解有機物質的 生氫的運作原理是:光電半導體 因此光電半導體觸媒材料的開發 作用。一般的污染物或病原體多 材料吸收光線後激發出電子電 是這項技術發展的重點,目前已 半是碳水化合物,經由光觸媒分 洞,洞停留在光電極,進行氧 開發出多種材料。 解後,大部分會轉化成無害的水 1 化反應 H 2O+2h → 2H + 2 O 2 ↑ + + 和二氧化碳,因此可以達到除 光觸媒 產生氧氣,電子則經由外電路傳 污、淨化、消毒、殺菌等目標。 2003 年全球爆發了著名的嚴 目前眾多的光觸媒研究中以 2H +2e → H2 ↑產生氫氣。整個 重急性呼吸道症候群(severe 二氧化鈦奈米粒子為主,但二氧 反應利用外電路與電解質的電荷 acute respiratory syndrome, SARS) 化鈦只能吸收波長小於 390 奈米 傳遞達到系統的電中性,以完成 非典型肺炎,使得照光後能殺菌 的紫外光,而在太陽光的波長範 工作循環。 的光觸媒在當時備受重視,並成 圍內,紫外光僅占小部分 約有 40 , 導至還原電極,進行還原反應 + - %是波長介於 390 到 780 奈米的可 e - 與 O2 接觸後生成 具有還原能力的 O2 - (b) (a) 光觸媒 e- 五大應用 污水 消毒 殺菌 e- 去味 處裡 除臭 自清 淨化 h+ 空氣 自潔 OH•自由基和 O2 -能有 效地分解環境中的污染 物與病菌,達到空氣淨 化、污水處裡、消毒殺 菌等作用。 光能 h+ 與 H2O 接觸後產生具有強大 氧化能力的 OH•自由基 (a)光觸媒的五大應用,(b)光觸媒分解污染物和病菌的光電化學反應機制。 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 見光。目前已有許多研究利用摻 混不同的金屬或非金屬元素於二 氧化鈦奈米粒子中,改變它的能 隙結構,使吸收波長延伸至可見 光,擴大光觸媒的應用範圍。 此外,也有研究合成出不同 外觀的二氧化鈦奈米材料,藉由 管狀、柱狀、花狀等不同結構來 63 (c) 30nm 500nm 5μm 電子顯微鏡觀察下的二氧化鈦奈米材料:(a)管狀結構,(b)柱狀結構,(c)花狀結構。 增加反應表面積,提升光觸媒的 電、產氫等目的,但實際運作的 化學反應來合成特殊結構的金屬 效率,以期能更有效且實際地應 效率和機制仍需要更進一步地研 奈米粒子。 用太陽能光電化學反應。 究。由於生化材料本身對於某些 生化科技和光電化學反應的 反應有獨特的選擇性,因此在光 結合,目前仍持續在研究發展 電化學反應過程中,具有特殊標 中,許多詳細的反應機制與運作 定的作用。 內容仍有待釐清。相信未來這方 生化科技與光電化學結合 近年來,隨著生化科技的發 展,也開始有生化材料應用在光 生化材料具有生物相容性,可 電化學的領域上。和一般光電化 用於包覆藥物使其能順利進入人 學著重在光電半導體材料的研究 體,不被免疫系統排除。具光敏 隨著光電化學反應的研究發 相較,生物材料呈現了另一種值 感性和反應性的生化材料可用來 展與成熟,人類已逐漸能夠有效 得思考與探索的方向。部分的生 包覆藥物,進入人體後,藉由特 地運用太陽能。然而目前仍有許 化材料或生物酵素對於光線有獨 殊波長的光線照射,使其產生光 多技術上的瓶頸需要克服,諸 特的敏感性和反應性,能夠替代 電化學反應,來控制釋放藥物於 如:如何降低光電半導體材料的 部分光電半導體材料在光電化學 患部,達到治療的目的。光敏感 製作成本、如何延長光電化學材 反應中運作,也能達到照光生 的生化材料也能幫助偵測,藉由 料的壽命、如何提升光電化學反 照光後發生光電 應的效率、如何有效且低成本地 化學反應,改變 回收可再生利用的光觸媒、如何 DNA 等物質的 使生化材料和光電化學反應更廣 表面電荷結構, 泛地結合、如何使光電化學反應 可用於感測標定 更普及應用於日常生活中等。儘 DNA 等生物資 管如此,隨著光電化學科技的發 訊。在合成奈米 展,未來的生活將能夠和大自然 材料的研究中, 活力的泉源—太陽—有更緊密的 可利用生化材料 結合。 面的技術會愈趨成熟,為人類科 技的發展帶來新的突破。 □ 做為光電反應的 反應物和界面保 護劑,藉由光電 莊浩宇 陳東煌 成功大學化學工程學系 大自然活力的泉源—太陽 科學發展 2009 年 5 月, 437 期 圖片來源:(a)Advanced Materials, vol. 19(2007), p. 3187 ,(b)Langmuir, vol. 24 (2008), p. 3503 ,(c) Chemistry A European Journal, vol. 12(2006), p. 2383 (b) (a) ...
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  • Fall '14

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    As a current student on this bumpy collegiate pathway, I stumbled upon Course Hero, where I can find study resources for nearly all my courses, get online help from tutors 24/7, and even share my old projects, papers, and lecture notes with other students.

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    Kiran Temple University Fox School of Business ‘17, Course Hero Intern

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    I cannot even describe how much Course Hero helped me this summer. It’s truly become something I can always rely on and help me. In the end, I was not only able to survive summer classes, but I was able to thrive thanks to Course Hero.

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    Dana University of Pennsylvania ‘17, Course Hero Intern

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    The ability to access any university’s resources through Course Hero proved invaluable in my case. I was behind on Tulane coursework and actually used UCLA’s materials to help me move forward and get everything together on time.

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    Jill Tulane University ‘16, Course Hero Intern

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