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更新日期:104年9月24日

化學系陳浩銘助理教授團隊人工光合作用半反應催化劑榮登研究《Nature Communications》

在過去數十年的研究中,太陽能光伏電池被看好作為生活中替代能源,因為能滿足潔淨能源的需要,然而除了直接將太陽能轉為電能外,太陽能不該只侷限於一種使用方式,應該可以更有效的利用和使用太陽能,而這另一種方法即為產生化學燃料,將光能轉換為化學能的方式儲存,在自然界的光合作用中,植物能將太陽能有效的捕捉、儲存,因此如果能比照植物的方式,將二氧化碳與水轉為有機化合物和氧,甚至是糖,即經由太陽能將二氧化碳及水轉換成葡萄糖和氧氣。藉由此自然現象的啟發,人工光合作用 (artificial photosynthesis) 的概念衍生出儲存太陽光的觀念,然而吸光及儲存太陽能儀器的高成本花費和低效能的轉換效率,還有能否進行長時間的穩定性都是幾項極大的挑戰。而其中之核心反應包含水氧化反應與二氧化碳還原反應,然而水的氧化反應並非是一個自發反應且需要消耗大量能量,為了能在較低耗能的條件下將水氧化產生氧氣,必須發展出高效率、低成本且穩定的催化劑。

在自然界中的產氧反應上是發生在光合系統II中利用含有CaMn4Ox的氧化還原酶進行,可以在較低產氧過電位 (potential) 下提供好的轉換效率,然而此氧化還原酶無法在一般的環境下作用。在初期的研究中發現一些貴金屬如IrO2、RuO2能夠達成此目標。然而目前所面臨的挑戰是長時間穩定且高活性的催化劑材料,此兩部分之研究均需要深入瞭解水氧化相關化學反應機制。為深入研究其反應機制,尤其需要一個可臨場 (in-situ) 研究水相與固相介面材料結構與化學性質之技術。由於目前所有可研究元素電子結構之方法皆必須於高真空環境下操作,因此造成臨場化學反應研究極大之挑戰,為發展一臨場化學反應分析技術,並設計可實現於常壓下液體介質中的結構與化學性質分析反應器,可借助台灣同步輻射X光光源之優點,具備極高之能量與光子通量,可分析其高能光電子能譜,更重要的是同步輻射X光光譜技術允許於大氣環境下量測,化學系陳浩銘助理教授團隊與同步輻射中心詹丁山博士合作率先嘗試挑戰於常壓大氣條件下,於液態溶液中臨場量測其X光繞射圖譜,配合自行開發設計之液態反應器,經過超過一年的努力,目前已經可以實現氣體產生情況下量測催化劑材料繞射圖譜,藉以研究相對應之結構變化,且設計概念為低掠角入射之繞射方法,在此情況下,水層的厚度變成非常關鍵之參數,若是水層厚度太厚,將無法獲得較佳訊雜比之圖譜進行分析,這項研究在8月28日於國際著名期刊《Nature Communications (自然通訊)》中發表。

研究結果顯示,過渡金屬氧化物催化劑在進行水氧化反應的同時,涉及結構相轉變,而此相轉變過程將伴隨晶格體積的巨大變化,導致催化劑的穩定性不佳,藉由此發現,化學系陳浩銘助理教授、化學系鄭原忠教授與博士生童敬維同學聯手合作發展出具有表面活性緩衝層之單晶奈米粒子催化劑,此催化劑表面緩衝層僅有數個原子層厚度且可隨外加電壓改變結構,而此結構改變所誘導的體積變化將不會對催化劑主體造成影響,因此大大提升催化劑的穩定性,測試結果顯示此催化劑經過一千個小時 (約四十天) 的連續反應,活性衰退小於百分之五。此研究由科技部與台大共同支持完成,全文請參閱[自然通訊]《Nature Communications》:2015,6:8106 DOI: 10.1038/ncomms9106 “Reversible Adapting Layer Produces Robust Single-crystal Electrocatalyst for Oxygen Evolution”。

文章全文請參見http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms9106/full/ncomms9106.html

過去兩年來,陳浩銘助理教授所領導之研究團隊主要致力於發展實現人工光合作用之相關研究與臨場研究方法的開發,所發展的研究方法不僅僅適用於人工光合作用的研究,預期也可以應用於許多相關領域的發展。

  • 化學系陳浩銘助理教授(圖上左二),鄭原忠助理教授(圖上左一),博士生童敬維(圖上右一)與其研究團隊。

    化學系陳浩銘助理教授(圖上左二),鄭原忠助理教授(圖上左一),博士生童敬維(圖上右一)與其研究團隊。

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