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氫能源生產新機制–DSPEC

103/02/26 8692

陳永平｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊

當第一次世界石油危機發生時，約翰博基斯(John Bockris)在1970年的一場演講中曾提出利用氫氣做為石油的主要替代能源，並以氫經濟(Hydrogen Economy)一詞來描繪未來整個氫能源的市場運作體系，其中包括上游的氫氣生產，中游的氫氣儲存與運送，以及下游的氫能應用。

自氫經濟理念被提出後，隨即受到世界各國的重視與支持，究其原因，氫氣除了本身能源轉換效率高之外，還具有低污染的特性，不論是直接燃燒或以燃料電池發電，都只會產生水，而不會排放二氧化碳，可以有效地減緩溫室效應及避免氣候異常變遷。

在能源轉換效率方面，同重量的氫能確實優於石油2.6倍之多，不過在低污染特性方面，若是細看氫氣的生產方式，則會發現其中依然存著許多必須面對的難題，因為氫氣在自然界中所占比例不高且難以直接取得，為了要使用氫能源，目前製造氫氣的方法可分為3種：(一) 從化石燃料中提煉氫氣，(二) 電解水產生氫氣，(三) 利用太陽能光催化作用製氫。

首先是以人為的方式從化石燃料中去提煉氫氣，這是目前工業界大量採用的方法，由於在生產過程的化學反應中，二氧化碳是必然的產物，根本與直接使用石油沒有兩樣，無法符合使用氫能源的低污染環保需求。

其次是先利用各種初級能源來發電，再以所發的電力通過電解水機制來產生氫氣，這些初級能源包括核能、石油、煤、天然氣、水力、風能或太陽能等，由於發電設備的製造或整個發電的過程，仍無法完全避免產生二氧化碳，所以還是沒有真正落實氫能低污染的特性。而且以上兩種方法所需成本都相當龐大，這也是目前氫能源難以普及的重要因素之一。

目前科學家已開始研發第3種方法，是仿照植物的光合作用，以太陽能為能量，水為原料，利用光觸媒進行光催化作用來製造氫氣，這個方法雖還在研發階段，但因產氫的過程中沒有任何污染，所以被視為相當有潛力的綠能科技。

根據2014年1月每日科學雜誌（Science Daily）的新聞報導：由美國北卡羅來納大學的化學教授湯姆梅爾(Tom Meyer)，所提出的新機制”染敏光電合成元件”(Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis cell，DSPEC cell)，正是屬於利用太陽能光催化作用製氫的方法。

所謂氫經濟時代乃是以氫氣做為石油的替代能源，而為了產生氫氣且不對環境造成污染，科學家已逐漸擺脫太陽能儲電的概念，而嘗試將太陽能能量以光催化作用從水中直接製造氫氣，這正是美國北卡羅來納大學湯姆梅爾教授(Tom Meyer)團隊所採行的研究方向，他們在近期所開發的氫能源生產機制─”染敏光電合成元件”不僅可以幫助人類解決能源危機，還能確保地球的永續經營。

梅爾團隊所設計的元件主要是利用二氧化鈦及一些色團基與奈米粒子的薄膜去組成光電極，並由色團基吸收可見光及輸送電子至陰極進而產生氫氣。

梅爾團隊之研究動機極其單純，他們認為在太陽下山後就無法再利用太陽能，因此白天裡必須有儲存太陽能的裝置，以便在夜晚需要能量時才能加以利用，但最好的儲能方式並不是電池，而是將能量存放在分子的化學鍵上，更重要的是這個儲能裝置必須避免產生二氧化碳，以確保環境不受污染，才能減緩溫室效應；在其堅持下，氫能源生產機制的新元件誕生了，雖然離實際應用還有一段距離，但可以確信的是，人類為了解決能源危機以及維護地球的永續經營，勢必會繼續朝著這個綠能科技不斷地前進。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿／103年/02月）

責任編輯：黃承揚｜英商牛津儀器海外行銷有限公司

科發月刊(5210)

氫能源生產新機制–DSPEC

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