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水分解新方法

可再生永續能源一直是各國所追求的發展計劃,而其中氫氣因燃燒時僅產生水,對環境友善,被認為極具發展潛力。現今生產氫氣有幾個主要的方法,像是藻類或是細菌的生物產氫、利用電力將水分解等方法。其中科學家結合傳統的熱化學產氫法和太陽能,讓熱化學產氫法的熱來自取之不盡用之不竭的太陽能,配合金屬氧化物催化水分解成氫氣,稱為太陽熱能水分解系統。
 
 
 
可再生永續能源一直是各國所追求的發展計劃,而其中氫氣因燃燒時僅產生水,對環境友善,被認為極具發展潛力。現今生產氫氣有幾個主要的方法,像是藻類或是細菌的生物產氫、利用電力將水分解等方法。其中科學家結合傳統的熱化學產氫法和太陽能,讓熱化學產氫法的熱來自取之不盡用之不竭的太陽能,配合金屬氧化物催化水分解成氫氣,稱為太陽熱能水分解系統。

傳統熱化學產氫法分為兩階段,先進行還原再氧化,兩階段必須在不同溫度下進行,所以系統需要反覆升溫降溫,這中間除了浪費了許多能量,也伴隨耗損觸媒壽命等問題。

兩階段的熱化學產氫法,如溫度擺盪觸媒水分解系統,金屬氧化物觸媒會在1200~1500°C的高溫下進行還原反應,釋出氧氣;而還原態的觸媒會在溫度降低400°C時和水進行氧化反應,伴隨氫氣產生,而觸媒也回到原先的金屬氧化物狀態;系統就在升溫降溫中循環進行還原和氧化反應。

科羅拉多大學波爾得分校的查爾斯.馬斯格雷夫(Charles B. Musgrave)和愛倫.維莫(Alan W. Weimer)所帶領的團隊突破傳統的窠臼,首次發展出一套可在等溫系統下運作的兩階段熱化學產氫法,研究結果發表在2013年8月的《科學》雜誌裡。在新的等溫水分解系統,利用組合兩種不同的金屬氧化觸媒-鐵鋁循環來破解兩種溫度的限制,觸媒會在1350°C還原,釋出氧氣,而系統在相同溫度下就可隨之將水分解成氫氣同時氧化觸媒。此循環在毫無滯礙的情況下不斷進行,等溫系統明顯得比溫度擺盪觸媒水分解系統的舊方法還具有效率,但也期待更多研究加以驗證。

蘇黎世聯邦理工學院頂尖的太陽能專家,奧爾多.斯坦菲爾德(Aldo Steinfeld)相當推崇此技術,他表示這個新技術除了大幅提升產氫氣的效率以外,也擴大了太陽能轉換成可儲存能源的規模,同時還符合經濟效益。德國科隆太陽能研究所的太陽能產氫技術專家,馬丁.羅伯(Martin Roeb)認為此新技術有很大的機會可以將溫度擺盪觸媒水分解系統拋在腦後,而美國加州理工學院材料工程及化學工程教授索西娜.海爾(Sossina M. Haile)掩不住興奮的說:「這個設計暨精簡又可降低系統機械壓力,同時大幅提升產氫的效率,真是傑出的工作!」

另一方面也有人指出隱憂。安大略大學的王兆麟(Zhaolin Wang)教授說明,若除去溫度變動確實可以增加觸媒的壽命,同時簡化系統操作步驟和提高氫氣產量。但王教授也提及氫氣、氧氣和觸媒在同一個槽裡反應,這有引發爆炸的危險性,不過愛倫.維莫有信心此設計可以排除這個疑慮。

現今太陽能產氫法的氫氣的價格仍遠高於傳統的化石燃料,所以難以普及,但此突破性的等溫系統可以大量節省能源消耗又兼備高效率的產氫能力,科學家們希望可藉由這個機會推展氫氣能源的規模,為發展永續能源提供一條新捷徑!(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月)
 
責任編輯:陳藹然|國立臺灣大學科學教育發展中心

翻譯名詞註解
  1. 太陽熱能水分解系統(Solar Thermal Water-Splitting, STWS)

  2. 熱化學產氫法(two-step thermochemical cycle)

  3. 溫度擺盪觸媒水分解系統(temperature-swing catalytic water splitting)

  4. 科羅拉多大學波爾得分校(University of Colorado,Boulder)

  5. 等溫水分解系統(Isothermal Water Splitting, ITWS)

  6. 鐵鋁循環(hercynite cycle)

  7. 德國科隆太陽能研究所(Institute of Solar Research, in Cologne, Germany)
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