【研究成果】友善未來的好幫手 高電流鹼性水分解技術

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)


(圖片授權轉載:《Journal of Materials Chemistry A》、陳軍互教授)

長年耕耘,中山大學化學系陳軍互教授攜其團隊,橫掃多項國際發明獎!

 

地球的另一端,有瑞典環保少女桑伯格高舉著號誌為降低碳排放請命,而我們這一端,小巧的台灣島上出現了一次次反污染大遊行,眺望東西,我們的距離說近不近、說遠不遠,在促進經濟和建設發展的道路上,都有個共同的目標 – 還給地球一個乾淨的未來,從中我們尋出一個相應而生的方案:大幅降低碳排放的「氫能」。

國立中山大學化學系陳軍互老師奈米材料實驗室(NSYSU-CHC-LAB, 以下簡稱CHC實驗室)致力於研發各種能應用於民生科技之奈米材料,並為產學銜接培育專業人才,該實驗室突破大規模生產氫能與高解析電子導線技術,兩項創舉共獲2021年ASIE美國科技暨發明展金、銀牌,2021-IWIS國際華沙發明展金、銀牌等,總計五項國際殊榮。

氫能係將水分為氧氣與氫氣儲存,欲使用氫能時再將氫、氧結合,氫能雖然不會產生廢氣污染,但也面臨著大量製氫才能合乎成本效益的問題,陳軍互教授表示:在追求高電流、大規模地進行水電解產生氫氣的同時,目前的技術卻大多停留在最高電流密度 0.5 安培每平方公分(0.5 A/cm2),其根本原因在高電流運作下,催化劑必須與基板有強大的附著力,而一般粉體催化劑會因為反應時產生的氫、氧氣泡劇烈碰撞從基板上脫落,長時間使用下來便會讓整體系統的效率下降。

CHC實驗室開發的液相氧化還原沉積法(Aqueous Redox Deposition, ARD)能在基板上鍍上一層附著力非常強的薄膜催化劑,能夠克服高電流運作下造成的催化劑剝離,搭配陰離子交換膜元件(Anion-Exchange Membrane, AEM)實測,於攝氏40度、電流密度 1 安培每平方公分(1 A/cm2)下,產氫效率達到 66%,功率約為 4.5 kWh/Nm3,於攝氏80度條件下,效率可以達到 71%,功率約為 4.2 kWh/Nm3。此水分解系統目前最高電解量可達到 5 安培每平方公分並持續穩定運作,相比於前面提及不到 0.5 安培每平方公分的固有技術,其優異的表現令人目光一亮。

此外,本質為酸性氧化還原輔助沉積法(Acidic redox-assisted precipitation, ARP)製成之高附著力析氧反應的催化劑,基於化學藥劑間自發性的氧化還原反應,結合前面提及CHC實驗室團隊研發的ARD技術,能使多元金屬間的參雜與成膜在水相下一次完成,同時,以roll-to-roll 的捲送方式(如圖1)能實現在常溫、常壓、不需電力的情況下進行製程,且不須添加額外高毒性藥劑,加上能有效利用地殼高存量元素取代貴金屬催化劑,不僅環保,更降低了廢棄物的處理成本,相較於目前已知的鍍膜技術更為友善且獨步,種種條件顯示其已適合大量生產。

此外,電解海水一直是水電解技術的極致挑戰之一,從氯離子干擾到催化劑不堪腐蝕等系列難題都有待突破精進,然針對這點,CHC實驗室也提出了解套方案 – 在研究藉由基板表面形成非晶相多元金屬氫氧化物薄膜後所產出的催化劑能解決海水中氯離子腐蝕的問題,可穩定於 0.5 M 氯化鈉 (為模擬海水中氯離子濃度)之環境下運作,再次將水分解系統推前一個檔次。

圖1. Roll-to-roll 捲送製程實作。(圖片授權:陳軍互教授實驗室)

緣起於1970年代,當世界正面臨著第一次石油危機,化學家約翰・柏克里斯在美國通用汽車技術中心的演講中首次提出了「氫經濟」的概念,在他可預見的未來裡,以氫氣為主要能源的社會是理想且必然的,半個世紀後的今日,活在他的未來、仍然面對著能源危機的各個國家的我們,跨越了時空,正一步一步朝著這些先知的理想走去,該是一件多浪漫的事,而我們當下的努力,又能讓之後的人們收束到何種幸福的未來,是否光是想像都能提起幹勁,和對科研充滿了感激與敬畏的心 – 是的,我們與正在進步的這個社會,距離一點都不遙遠。

 

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