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亚博网站手机登录手机版app下载:台大研究成果,人工光合作用半反应催化剂荣登研究《Nature Communications》

作者:张国荣 发布时间:2021-09-08 14:38点击:
在过去数十年的研究中,太阳能光伏电池被看好作为生活中替代能源,因为能满足洁净能源的需要,然而除了直接将太阳能转为电能外,太阳能不该只局限于一种使用方式,应该可以更有效的利用和使用太阳能,而这另一种方法即为产生化学燃料,将光能转换为化学能的方式储存,在自然界的光合作用中,植物能将太阳能有效的捕捉、储存,因此如果能比照植物的方式,将二氧化碳与水转为有机化合物和氧,甚至是糖,即经由太阳能将二氧化碳及水转换成葡萄糖和氧气。借由此自然现象的启发,人工光合作用 (artificial photosynthesis) 的概念衍生出储存太阳光的观念,然而吸光及储存太阳能仪器的高成本花费和低效能的转换效率,还有能否进行长时间的稳定性都是几项极大的挑战。而其中之核心反应包含水氧化反应与二氧化碳还原反应,然而水的氧化反应并非是一个自发反应且需要消耗大量能量,为了能在较低耗能的条件下将水氧化产生氧气,必须发展出高效率、低成本且稳定的催化剂。   在自然界中的产氧反应上是发生在光合系统II中利用含有CaMn4Ox的氧化还原酶进行,可以在较低产氧过电位 (potential) 下提供好的转换效率,然而此氧化还原酶无法在一般的环境下作用。在初期的研究中发现一些贵金属如IrO2、RuO2能够达成此目标。然而目前所面临的挑战是长时间稳定且高活性的催化剂材料,此两部分之研究均需要深入了解水氧化相关化学反应机制。为深入研究其反应机制,尤其需要一个可临场 (in-situ) 研究水相与固相接口材料结构与化学性质之技术。由于目前所有可研究元素电子结构之方法皆必须于高真空环境下操作,因此造成临场化学反应研究极大之挑战,为发展一临场化学反应分析技术,并设计可实现于常压下液体介质中的结构与化学性质分析反应器,可借助台湾同步辐射X光光源之优点,具备极高之能量与光子通量,可分析其高能光电子能谱,更重要的是同步辐射X光光谱技术允许于大气环境下量测,化学系陈浩铭助理教授团队与同步辐射中心詹丁山博士合作率先尝试挑战于常压大气条件下,于液态溶液中临场量测其X光绕射图谱,配合自行开发设计之液态反应器,经过超过一年的努力,目前已经可以实现气体产生情况下量测催化剂材料绕射图谱,借以研究相对应之结构变化,且设计概念为低掠角入射之绕射方法,在此情况下,水层的厚度变成非常关键之参数,若是水层厚度太厚,将无法获得较佳讯杂比之图谱进行分析,这项研究在8月28日于国际著名期刊《Nature Communications (自然通讯)》中发表。   研究结果显示,过渡金属氧化物催化剂在进行水氧化反应的同时,涉及结构相转变,而此相转变过程将伴随晶格体积的巨大变化,导致催化剂的稳定性不佳,借由此发现,化学系陈浩铭助理教授、化学系郑原忠教授与博士生童敬维同学联手合作发展出具有表面活性缓冲层之单晶奈米粒子催化剂,此催化剂表面缓冲层仅有数个原子层厚度且可随外加电压改变结构,而此结构改变所诱导的体积变化将不会对催化剂主体造成影响,因此大大提升催化剂的稳定性,测试结果显示此催化剂经过一千个小时 (约四十天) 的连续反应,活性衰退小于百分之五。此研究由科技部与台大共同支持完成,全文请参阅[自然通讯]《Nature Communications》:2015,6:8106 DOI: 10.1038/ncomms9106 “Reversible Adapting Layer Produces Robust Single-crystal Electrocatalyst for Oxygen Evolution”。   文章全文请参见http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms9106/full/ncomms9106.html   过去两年来,陈浩铭助理教授所领导之研究团队主要致力于发展实现人工光合作用之相关研究与临场研究方法的开发,所发展的研究方法不仅仅适用于人工光合作用的研究,预期也可以应用于许多相关领域的发展。          
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