Only Perception: 利用鐵鏽與水將太陽能儲存成氫

2013-01-03

利用鐵鏽與水將太陽能儲存成氫

Using rust and water to store solar energy as hydrogen
http://phys.org/news/2012-11-rust-solar-energy-hydrogen.html

November 11, 2012

太陽能應如何被儲存，使其能在任何時間，無論日或夜，不管太陽是否照耀，都能被取用？ EPFL 科學家正在開發一種技術，那能將光能轉變成一種具有碳中和足跡的潔淨燃料：氫。此配方基本的成份是水與金屬氧化物，例如氧化鐵，更為人所知的說法是：鐵鏽。

Kevin Sivula 及其同僚故意將它們限制在廉價礦物與容易擴張的生產過程上，使一種具經濟效益的太陽能製氫方法成為可能。該裝置，仍在實驗階段，描述在一篇已發表在 Nature Photonics 期刊的文章中。

將太陽能轉換成氫並非新構想；研究者已研究超過 40 年了。隨著 Michael Gratzel 的研究出爐，EPFL 在 1990 年代期間，亦加入了競爭行列（joined the fray）。在與一位來自 Geneva 大學的研究者的合作下，他發明了光電化學堆疊型太陽能電池（photoelectrochemical (PEC) tandem solar cell），一種直接從水產生氫的技術。他們的原型共享這個基本原理：一種染料敏化（dye-sensitized）太陽能電池 -- 那亦由 Michael Gratzel 所發明 -- 結合一種氧基半導體。

該裝置完全自給自足。所產生的電子用來分解水分子，重塑成氧與氫。在相同液體中，裝置裡二個截然不同的分層受光線刺激時，具有產生電子的工作；氧基半導體，進行氧發生反應（oxygen evolution reaction），以及一個染料敏化太陽能電池，那釋出氫。

最昂貴的部件？玻璃板。

該團隊的最新原型聚焦在解決 PEC 技術的最大問題上：它的成本。"一個美國團隊設法達到令人印象深刻的、12.4% 的效率，" Sivula 說。"從理論觀點來看，這套系統非常有趣，不過用他們的方法，得花 1 萬美元才能製造出 10 平方公分的表面。"

所以科學家一開始就自我限制 -- 只使用能負擔得起的材料與技術。那不是一見簡單的工作，不過他們盡力辦到。"我們裝置裡最昂貴的材料是玻璃板，" Sivula 解釋。效率目前仍然很低 -- 介於 1.4% 與 3.6% 之間，端看所用原型為何。不過這項技術具有很大的潛力。"透過基於氧化鐵的廉價概念，我們希望能夠在幾年內達到 10% 的效率，且每平方公尺不到 80 美元。在這個價格上，我們將能與傳統的製氫方法相競爭。"

所謂的半導體（那進行氧發生反應），就是氧化鐵。"那是一種穩定且豐富的礦物。它不可能繼續生鏽下去！不過它是可取得的最糟糕半導體之一，" Sivula 承認。

矽強化過的奈米鏽（nano-rust）

這也是為何該團隊所使用的氧化鐵比你在老釘子上找到的那些還要多花一些功夫處理。以氧化矽強化的奈米結構化（半導體）覆蓋一層一奈米厚的氧化鋁與氧化鈷 -- 這些處理優化材料的電化學特性，但卻很容易施用。"我們需要開發容易製備的方法，像是你只需要浸潤或塗刷材料的那種。"

該裝置的第二部份由染料與二氧化鈦組成 -- 染料敏化太陽能電池的基本成份。第二層讓氧化鐵所傳輸的電子能獲得足夠能量，以便從水中提取氫。

傑出的潛力 -- 高達 16%

在 Nature Photonics 論文中所呈現的結果代表了效能上的突破，那因最近在氧化鐵與染料敏化二氧化鈦研究中的進展而成為可能，且這這些技術都正在迅速進步中。 Sivula 預測，堆疊式太陽能電池技術最終將能以氧化鐵達到 16% 的效率，同時仍維持低成本，那畢竟是這種方法具有吸引力之處。藉由使廉價儲存太陽能成為可能，EPFL 所開發的系統能大幅增加太陽能成為未來可行之再生能源的潛力。

※ 相關報導：

＊ Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell
http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n12/full/nphoton.2012.265.html

Jeremie Brillet, Jun-Ho Yum, Maurin Cornuz, Takashi Hisatomi,
Renata Solarska, Jan Augustynski, Michael Graetzel,
Kevin Sivula.
Nature Photonics 6, 824–828 (2012)
doi: 10.1038/nphoton.2012.265