Solar cell directly splits water for hydrogen
http://www.physorg.com/news122534699.html
February 18, 2008
樹與藻類等植物都是這樣。甚至某些細菌與蘚苔也是這樣，但科學家就是很難開發出方法，將日光轉變成有用的燃料。現在，賓州大的研究者有個概念驗證裝置，能將水分解並產生可回收的氫。
"這是個概念驗證系統，效率相當差，不過最終或許能達到具有 10% - 15% 太陽轉換效率的催化系統，" Thomas E. Mallouk 說，DuPont 材料化學與物理學教授。"如果這能夠實現，水光分解（water photolysis）將從水與日光，提供一種乾淨的氫燃料來源。"
雖然太陽能電池現在能以超過 10% 的效率，從可見光產生電力，太陽氫能電池（solar hydrogen cells）-- 例如由 Craig Grimes，賓州州立大學電機工程教授所開發的這些 -- 卻受限於所用半導體貧乏的光譜響應。原則上，分子光吸收劑（absorbers）能在一種模仿自然界光合作用的過程中，利用更多可見光光譜。光合作用利用葉綠素與其他染料（dye）分子來吸收可見光。
到目前為止，以自然及合成染料分子所進行的實驗，不是在過程中利用化學物質的消耗來產生氫就是氧，不過仍未創造出一種不間斷的、持續的製程。這些製程的成本通常比用電分解水更多。難處之一是，一旦產生後，氫與氧能輕易地再結合。那些已用於研究氫與氧半反應（half-reactions）的催化劑，也是再結合反應的良好催化劑。
Mallouk 與 W. Justin Youngblood，化學博士後研究者，共同與亞歷桑納州立大學的同事開發出一種催化系統，那與染料結合，能模仿植物進行光合作用時，所發生的電子轉移與水氧化作用過程。他們將實驗結果在 AAAS 於波士頓所舉辦的年會上報告。
在他們程序的關鍵是一種微小的分子複合物，中央具有氧化銥分子的結晶體，被橙--紅染料分子所包圍。這些化學簇（clusters）的直徑約 2 nm 寬，而結晶體與染料化合物的大小約略相同。研究者選擇橙--紅染料是因為它能在藍色範圍內吸收日光，此段能量最強。所使用的染料也在先前的人造光合作用實驗中，被徹底研究過。
他們在環繞中央核心的染料分子留下空間，讓結晶體的表面區域能夠進行反應。當可見光擊中染料，能量會刺激染料中的電子，電子在結晶體的幫助下，能將水分子分解，創造出自由的氧。
"每個表面的銥原子每秒可循環進行約 50 次的水氧化反應，" Mallouk 說。"這約比次佳的合成催化劑要快上 3 個數量級（1000 倍），而且可比得上綠色植物光合作用中 Photosystem II 的替換率（turnover rate）。" Photosystem II 是植物當中的蛋白質複合物，那能使水氧化並開始進行光合作用。
研究者將二氧化鈦電極連同結晶體複合物一同灌注（impregnated）當作陽極，並使用鉑當作陰極。他們將電極浸入鹽溶液中，不過將它們分離，以避免氫與氧的再結合。光只需要照射染料敏化的二氧化鈦陽極，就能讓系統運作。這類型電池與那些產生電力的相似，不過額外的結晶體讓此反應能將水分解它的組成氣體。
將水分解需要 1.23 伏特，而目前的實驗配置無法達到這種水準，故研究者從外部電源增加約 0.3 伏特。他們當前的系統達成約 0.3% 的效率。
"大自然透過光合作用也只達到 1% - 3% 的效率，" Mallouk 說。"這也是為何你不會期望從你草坪剪下來的東西能為你的房子及車子提供電力。我們想不必要去使用所有已用在農業上的土地，以得到我們需要從太陽能電池獲得的能量。"
研究者有不同途徑可以改善這種製程。他們計畫要研究改善染料的效率，改進結晶體並調整此系統的一般幾何學。並非使用球形的染料結晶體複合物，不同的幾何反而能保持更多反應區域供太陽使用，而反應物也許會更好。改進整體的幾何學也會有所幫助。
"此製程中的每個分歧都是個選擇，" Mallouk 說。"問題在於如何讓電子待在適當的路徑而非，例如，釋出其能量，並回到基態而沒做任何事。"
分子之間的距離在控制電子轉移率，以及讓電子到達它們得去的地方中很重要。藉由縮短某些距離，並讓其他變長，更多的電子將採取適當路徑，並將其能量用於將水分解與製造氫上。
※ 相關報導：
＊ 雪花的數學模型
＊ 都是幾何學：蛋白質接觸表面握有治癒關鍵
＊ 科學家發展新疫苗概念：糖蛋白 D
＊ 研究者戮力創造「蛋白質百科」
＊ 研究者成功模擬光合作用並設計更好的葉子
＊ 照射研究揭露植物如何對光起反應
＊ 製造罕見葉綠素 d 的細菌被定序
＊ 植物如何輸送糖的研究攸關全球暖化
＊ 光的黑暗面 -- 碎形的光渦流
＊ 更環保的高效率無溶劑染料敏化太陽能電池
＊ 特殊塗層大幅改善太陽能電池的效率
＊ 蛾的眼睛，高效率太陽能電池的關鍵？
＊ 基改藻類產生更多氫與生物燃料
＊ 妙哉！新合金可及時產生氫氣供大規模使用
＊ 新 ZIFs 材料能選擇性地捕捉 CO2
＊ 探索對付 NOx 排放的催化劑
＊ 研究：氯化氫與氨靠額外電子相吸
＊ 電一下，「奈米釘」從防水變成可弄溼
沒有留言:
張貼留言