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把太陽光轉成化學能:引言

當太陽光照射地球時,大約有48%到達地球表面,其中一部分在被吸收的過程中,轉變成紅外光向外太空反射。因為大氣層中的二氧化碳,阻礙了紅外光重返外太空的機會,因而造成溫室效應。
 
 
 
當太陽光照射地球時,大約有48%(主要是紫外光和可見光)穿透大氣層到達地球表面,其中一部分在被吸收的過程中,轉變成波長較長的紅外光向外太空反射。因為大氣層中的二氧化碳,反射出的紅外光會在通過大氣層的過程中再被吸收,而阻礙了紅外光重返外太空的機會,由於這些能量無法有效地從地球表面釋出,因而造成了溫室效應。

工業革命後,大量燃燒煤炭、石油、天然氣等化石燃料,這些化石燃料燃燒後排放的二氧化碳進入大氣後,就成為形成溫室效應的主要氣體。

自然界的植物行光合作用,是利用碳循環方式把CO2和H2O轉化成碳氫化合物,提供地球上生物所需的能量。今天使用的化石燃料,事實上就是古代植物儲存的太陽能,化成煤、石油或天然氣埋在地下。因此光合作用是解決能源和溫室氣體CO2問題最終極的方法。無奈全球植物光合作用的速度,比不上燃燒化石燃料的速度,以致越來越多的CO2累積在大氣層中,加速溫室效應造成全球暖化。

光合作用是植物在太陽光照射供給能量時,以葉綠素把二氧化碳和水轉化為碳水化合物,同時釋放出氧氣。簡單而言,光合作用可分為水分解產氧的光反應和還原CO2轉化成葡萄糖的暗反應。

光反應是吸收太陽的光能轉變成化學能,得到分解水所需要的能量,把所產出的氧氣排到大氣中,生成的氫離子則由NADPH攜帶到暗反應裡,提供CO2轉化成葡萄糖分子時氫的來源。NADPH脫氫後變成NADP+,循環回到光反應,結合氫離子再轉成NADPH。光反應會同時產生ATP,提供暗反應所需的能量,把CO2升級成具有較高化學能的葡萄糖。用完的ATP 轉變成ADP後,再循環回到光反應,吸收能量轉成ATP。

光觸媒是可以吸收光能量促進催化反應的一種半導體材料。半導體具有特殊的能帶結構,上層是導帶,下層是價帶,導帶與價帶的能量差稱為能隙帶。外界的能量可以刺激價帶的電子躍升到導帶,但外界的能量(如光、熱、電場等)必須大於能隙帶的能量。光觸媒在光照下形成電子電洞對,電子電洞因為正負相吸,大部分會再結合以熱能釋出。剩餘的電子電洞可以遷移到光觸媒表面,分別進行光催化還原及氧化反應。

光催化反應可分成兩種能量形式,一種是能階上升反應,另一種是能階下降反應。能階上升反應伴隨著大量自由能(Gibbs free energy)正值的改變,光能量被轉換成化學能,如同植物的光合作用把光能轉換成化學能。上述的水分解產生氫氣及氧氣,就是能階上升反應。能階下降反應是一種不可逆的反應,反應的自由能是負值,光降解反應如有機物質利用氧分子做光氧化反應,大多是能階下降反應。

這期專題報導介紹如何效法光合作用的概念,以光催化的方式把太陽光能轉成化學能,是解決人類能源和溫室氣體CO2問題最終極的方法之一。以光觸媒催化的方法透過兩步驟:光催化水分解成H2和O2,CO2被H2還原成碳氫化合物,達到光合作用的效果。光觸媒運用取之不盡用之不竭的太陽光做為能源,催化二氧化碳還原成高品質的碳氫化合物燃料,不僅可降低CO2溫室效應對地球造成的影響,更是生產能源最自然環保的途徑。
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