Only Perception: 「奈米樹」收成太陽能量將水轉變成氫燃料

2012-03-09

「奈米樹」收成太陽能量將水轉變成氫燃料

Nanotrees harvest the sun's energy to turn water into hydrogen fuel
http://www.physorg.com/news/2012-03-nanotrees-harvest-sun-energy-hydrogen.html

March 7, 2012

(PhysOrg.com) -- UCSD 電機工程師正在建造一座由微小的奈米導線樹（nanowire trees）構成的森林，以便在沒有使用石化燃料的情況下潔淨地捕捉太陽能，並將之收成以產生氫燃料。在 Nanoscale 期刊中報告，這個團隊表示，奈米線（那以豐富的天然材料製成，例如矽與氧化鋅）亦提供一種大規模供應氫燃料的廉價方法。

"這是一種產生潔淨燃料的乾淨方法，" UCSD Jacobs 工程學院，電機與電腦工程系的 Deli Wang（音譯：王德立）教授表示。

根據 Wang 表示，這些奈米樹的垂直結構與分枝是捕捉最大量太陽能的關鍵。那是因為奈米樹的垂直結構會抓住並吸收光，而平坦的表面只是把它反射回去，Wang 表示，同時補充道：那也很像人眼視網膜當中的光受器（體）細胞。在太空中拍攝地球的影像中，光線從平坦表面反射，例如海洋或沙漠，而森林則顯得比較暗。

Wang 的團隊在其「3D branched nanowire array（3D 分歧奈米導線陣列）」中模仿這種結構，那使用一種叫做「光電化學水分離（photoelectrochemical water-splitting）」的製程來製造氫氣。水分離指的是將水分離成氧與氫，以便提取氫氣當燃料使用的過程。此製程使用潔淨能源，且沒有溫室氣體這種副產品。相較之下，目前傳統的製氫方法倚賴來自石化燃料的電力。

"相較於石化燃料，氫因為不會有碳排放而被視為潔淨燃料，但目前所使用的氫是用不乾淨的方式產生的，" Ke Sun，一位電機工程博士生，他領導此計畫。

利用垂直奈米樹結構收穫更多陽光，Wang 的團隊藉此開發出一種比平面相似物更有效率的產氫方法。Wang 亦隸屬於 UCSD 加州電信暨資訊科技研究所（Calit2）以及材料科學與工程計畫。

這種垂直分枝結構亦使氫氣輸出最大化，Sun 表示。例如，在一壺沸水的寬闊平坦表面上，泡泡必定要變大才能抵達表面。在奈米樹結構中，非常小的氫泡泡就能更快被提取出來。"此外，透過這種結構，我們將化學反應的表面積強化了至少 40 萬倍，" Sun 說。

從長遠來看，Wang 團隊的目標甚至更大：人造光合作用（artificial photosynthesis）。在光合作用中，當植物吸收太陽光時它們亦從大氣中收集二氧化碳與水，以便創造碳水化合物供其生長所需。Wang 的團隊希望模仿這種過程，從大氣中捕捉二氧化碳，減少碳排放，並將之轉換成烴（hydrocarbon，碳氫化合物）燃料。

"我們正試圖模仿植物所做的事以便將日光轉換成能源，" Sun 表示。"我們希望在不久的將來，我們的「奈米樹」結構最終能成為一種有效率的裝置，那在進行光合作用時猶如一顆真正的樹。"

該團隊也在研究氧化鋅的替代品，那吸收太陽光的紫外線，不過會有穩定性的問題，影響奈米樹結構的使用壽命。

※ 相關報導：

＊ 3D branched nanowire heterojunction photoelectrodes for high-efficiency solar water splitting and H2 generation
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/nr/c2nr11952h

Ke Sun, Yi Jing, Chun Li, Xiaofeng Zhang, Ryan Aguinaldo,
Alireza Kargar, Kristian Madsen, Khaleda Banu, Yuchun Zhou,
Yoshio Bando, Zhaowei Liu and Deli Wang.
Nanoscale, 2012, 4, 1515-1521
doi: 10.1039/C2NR11952H