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淺談「太陽」能-光電化學及光觸媒產氫技術發展

2019-08-29

鍾人傑 博士

原子能委員會核能研究所 化工組


隨著氣候變遷、全球暖化、空氣污染及能源燃料短缺等相關議題的受關注,近年來世界各國均積極尋找潔淨的再生能源來取代化石燃料,以減緩來自於傳統能源生產所衍生的環境污染問題。氫能由於具有能量密度高、潔淨、可儲存、可運輸等優點已成為21世紀各國發展的主要目標之一。目前氫能的生產主要使用石化燃料進行高溫蒸氣重組反應來獲得,但在過程中將會釋放溫室氣體如CO2及其他有機污染物,嚴重影響到人類的生存環境,因此藉由再生能源來進行產氫成為各國積極發展的另一可行替代方案,如圖1所示,利用再生能源進行熱分解(thermolysis)、電解(electrolysis)、水分解(water splitting)、生物分解轉換(biological conversion)等均為此技術的發展範疇,其中又以利用太陽能來分解水產氫被公認最具發展潛力。此處所討論之「太陽」氫能與一般先利用太陽能板或光伏電池(PV)產生電力後,再使用此電力來電解水產氫的設計不同,而是直接利用III-V族聚光太陽電池晶片與光觸媒材料吸收太陽光進行光分解水反應來產生氫氣。

圖1 再生能源產氫技術。

 

為何強調「太陽」氫能? 因為製氫的主要原料來源為「太陽光」及「水」,而產物則為氫氣及氧氣,沒有其他的副產品或污染物,亦不需額外提供其他能源(例如:熱能或電力),是一種完全符合環保且乾淨的綠色製程。如圖2利用太陽光分解水產氫系統可區分為(1)光電化學(photoelectrochemical,PEC)及(2)光觸媒催化(photocatalysis,PC)二種反應設計,此種PEC光電化學反應及PC光催化反應的原理說明如圖3[1]。當太陽光照射在半導體材料或光觸媒時會將半導體材料價帶(VB)上的電子激發至導帶上(CB),分別產生電洞(h+)與電子(e-)於價帶與導帶上,電洞與電子再分別與水進行氧化及還原反應生成氧氣及氫氣。此類光反應系統的組成要件,主要包含III-V族半導體電池晶片、電極材料、光觸媒、反應器等零組件、關鍵材料與設計,近年來科學家在此領域不斷的研究與創新,已有許多突破性的進展。

 

圖2 太陽能分解水產氫技術分類與CO2回收處理應用。

 

圖2-(A)PEC系統,利用太陽光電化學反應,從水中生產高純度氫氣,因水分解有能量門檻,一般矽晶電池無法達到,故目前大多數設計皆會使用高效率Ⅲ-Ⅴ族晶片作為電極材料,此種III-V族聚光型太陽能系統其光電轉換效率可達40%,若能利用於分解水產氫,預估其效率至少應可達15%以上,具技術開發潛能;例如雙接面的InGaP/GaAs及三接面的InGaP/GaAs/Ge電池晶片,藉由調整晶片之開路電壓及輸出電壓使符合分解水所需的電壓需求,提高產氫效率及增加晶片壽命,以降低產氫成本。此外,由於PEC系統大都使用酸或鹼做為電解質,因此耐腐蝕設計亦是必須列入考量及克服的重要因素。 

圖2-(B) PC系統,主要是利用光觸媒吸收不同波長之太陽光能來進行反應,包括TiO2,WO3,BiVO4,CdS,C3N4…等都是已經發展用來進行分解水產氫之光觸媒材料,由於陽光中除紫外光(<4%)外,可見光的波長占了很大的百分比,為了更進一步延伸光觸媒對太陽光中可見光區的吸收範圍及調整氧化還原電位,以增加產氫的效果,可添加不同的金屬離子,例如Pt,Au,Cu,過度金屬,或結合其他半導體分子結構使形成異相接面(heterojunction)的複合式光觸媒化合物,如g-C3N4/ CdS或AuTiO2/PbS/ZnS …等具有多元異相接面電位的光觸媒,藉此改變半導體原有之能隙(band gap)使達到有效電子/電洞分離效果及促進產氫的效率。另外,反應系統的設計亦是相當重要,各種不同的先導型系統世界各國都有許多團隊研發測試中,包括使用平板式光觸媒薄膜反應器或利用內部懸浮奈米顆粒循環反應的複合拋物線式反應器(Compound Parabolic Collector Reactor ,CPC),但目前國際現況戶外測試系統平均的產氫效率(Solar to Hydrogen,STH)仍低於2%,隨著科技的發展,未來只要新型高效能光觸媒材料不斷的開發出來及反應器設計能更進一步改良,使產氫效率可提升至5-10%,此種利用光觸媒分解水產氫系統(PC),就會有實際應用的價值。

 

   

圖3 太陽光分解水產氫原理(a)光觸媒產氫,(b)III-V族電池晶片產氫。

 

美國能源部(United States Department of Energy,DOE)國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)於此領域研究多年,發展出以III-V族太陽電池晶片材料的光電化學產氫技術{2},在2015年產氫的效率(STH)約15%左右,平均氫氣生產成本約US$ 17.3/kgH2;在2020年目標設定STH效率要提升至20%,成本降至US$ 5.7/kgH2, DOE預估最終目標STH效率要提升至25%,成本要降至US$ 2~3/kgH2。此一目標如能達成,比較現行由石化燃料產氫技術,利用太陽能產氫在成本效益上就具有相當好的競爭性,屆時此一綠色環保產氫技術離商業化生產的目標就不遠了。

太陽能是目前取之不盡、用之不竭的天然能源,平均每小時照射到地球上的能量足以供給人類1年所使用,如能充分利用,能源缺乏問題將可獲得解決。直接利用太陽能與水來產製氫氣,是一種既環保且經濟的做法,氫氣除可作為能源提供大眾交通運輸、家庭、工業、民生、發電等需求使用外,後續亦可用來與大氣環境中被排放的CO2結合進行反應產生燃料,如:CH3OH、CH4…等回收使用(參考圖2-(C)),除解決CO2排放所導致氣候暖化問題,亦可達到政府減碳策略與能源發展目標。目前世界各國均積極投入相關技術的研發,可以預期太陽氫能未來將有可能成為全球能源需求的主要來源之一。

 

參考文獻

1.Basanth S. Kalanoor, Hyungtak Seo, Shankara S. Kalanur., Materials Science for Energy Technologies, 1, 49-62, 2018. 

2.Todd G. Deutsch, “High-Efficiency Tandem Absorbers for Economical Solar Hydrogen Production”, U.S. DOE Hydrogen & Fuel Cells Program Review, NREL, June 8th, 2017.